Ce travail a été réalisé au Centre de Recherche en Nanofabrication et Nanocaractérisation (CRN[indice supérieur 2]) de l'Université de Sherbrooke. Il porte sur l'étude, la réalisation et la caractérisation de structures métal - isolant - semiconducteur (MIS) sur nitrure de gallium. Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semiconducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques, physiques et mécaniques très intéressantes. Il a été découvert depuis plus de quatre décennies. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d'inefficacités du dopage p et les densités élevées des défauts cristallins dans les couches épitaxiées, ont constitué pendant longtemps des obstacles majeurs au développement de la technologie GaN [I. Akasaki, 2002]. Il a fallu attendre jusqu'au début des années 1990 pour voir apparaître des couches de meilleure qualité et pour améliorer l'efficacité du dopage p [J.Y. Duboz, 1999]. Cet événement a été l'étape majeure qui a révolutionné la technologie à base de GaN et a permis d'amorcer son intégration dans le milieu industriel. Depuis, la technologie à base de ce matériau ne cesse de progresser à un rythme exponentiel. Il se présente aujourd'hui comme un matériau de choix pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissances et de hautes fréquences pouvant fonctionner dans des milieux hostiles. Grâce à sa bande interdite directe et son pouvoir d'émission à faible longueur d'onde, il est aussi très convoité pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection, tels que les DELs, Lasers ou les photodétecteurs. Malgré l'avancé rapide qu'a connu le GaN, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques de bonne qualité ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont caractérisées par une forte densité d'états de surface (D[indice inférieur it]). Ce phénomène, aussi rapporté sur GaAs et sur la plupart des matériaux III-V, induit l'ancrage du niveau de fermi au centre de la bande interdite. Il constitue l'un des freins majeurs au développement d'une technologie MIS (MOS) fiable sur GaN. À travers ce document, nous rapportons les résultats des travaux entrepris pour la réalisation de capacités MIS, de contacts ohmiques et de diodes Schottky sur les deux types de substrat GaN et p-GaN. Le diélectrique utilisé comme couche isolante pour les structures MIS est le Nitrure de Silicium (Si[indice inférieur x]N[indice inférieur y]) déposé par PECVD. Ces travaux constituent une introduction aux procédés de microfabrication sur nitrure de gallium, aux difficultés liées aux effets de surface dans le GaN et aux étapes de préparation chimique en vue de minimiser la densité de charges d'état à l'interface métal/GaN et diélectrique/GaN. La première partie du document est dédiée à la caractérisation optique et électrique des substrats GaN utilisés par étude de spectroscopie de photoluminescence (PL) et par étude Schottky.

Cette thèse portait sur la caractérisation électrique et optique de nouveaux matériaux à base d'alliages III-N pour l’optoélectronique et la mise en œuvre de procédés de réalisation des contacts ohmiques et Schottky sur ces alliages. Le premier volet de cette thèse de concernait la maîtrise des contacts métalliques, particulièrement délicate dans le cas de ces matériaux à large bande interdite où il faut optimiser les prétraitements de surface, la métallisation multicouches et les procédés de recuit. Nous avons développé des procédés à relativement basse température (entre 200°C et 500°C) et étudié l'influence du prétraitement chimique et des paramètres du recuit et on a pu trouver des conditions permettant d'obtenir des contacts Ti/Al avec une excellente ohmicité et des contacts Schottky Au et Pt avec des paramètres de conduction permettant de réaliser des dispositifs fonctionnels. Le second volet de cette thèse concernait l'étude des propriétés électroniques et structurales de l'alliage BGaN, nouveau matériau élaboré au laboratoire par MOVPE. La caractérisation électrique a montré pour la première fois une augmentation drastique de la résistivité associée à une diminution de la concentration des porteurs libres lorsqu'on augmente la composition de bore dans BGaN. Grâce à des mesures de la résistivité du BGaN en fonction de la température et en utilisant un modèle qui prend en compte l'ensemble des interactions, cette augmentation de la résistivité a été discutée et interprétée en terme de compensation des dopants résiduels. En outre une très intéressante corrélation a pu être effectuée avec les résultats de la spectroscopie Raman via le couplage phonon-plasmon / This thesis work concerns the electrical and optical characterization of new III-N nitride alloys for optoelectronics and the optimization of ohmic and Schottky contacts on these materials. The first part of this thesis was related to the realization of metallic contacts, particularly difficult for these high bandgap materials, by the optimization of the surface treatment, multi-layer metallization and thermal annealing. We developed annealing processes at relatively low temperature (between 200°C and 500°C) and studied the effect of the chemical treatment and annealing in order to find the optimal conditions for ohmic contacts. We obtained for instance Ti/Al contacts with an excellent ohmicity and used Pt to process Schottky functional diodes. The second part of this thesis was related to the study of the electronic and structural properties of the new BGaN alloy grown by MOVPE in our laboratory. The electric characterization showed for the first time a dramatic increase in the resistivity associated to the decrease of the free carriers’ concentration when the composition of boron in BGaN increases. The variation of the resistivity in BGaN with respect to the temperature was analyzed by using a theoretical model which takes into account the free carriers’ interaction with impurities and phonons and the variation of resistivity with boron in BGaN was discussed in this framework and linked to a compensation phenomenon of the residual dopants. On the other hand a very interesting correlation was carried out between Raman and electrical results through the phonon-plasmon coupling

Les problèmes associés aux fluctuations de l'état de polarisation des signaux lumineux transitant dans la fibre optique limitent actuellement les débits en transmission. Les solutions basées sur un contrôle de la polarisation du signal utilisent principalement les propriétés de la fibre optique, des cristaux liquides ou du niobate de lithium (LiNbO3) pour les composants d'optique intégrée. Toutefois, la nature même de ces matériaux ne permet pas d'associer sur une même puce les fonctions optiques et électroniques. Pour relever le défit de la miniaturisation des dispositifs, l'utilisation des matériaux semiconducteurs s'impose. L'objectif de ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre : il s'agit d'étudier puis de concevoir un convertisseur de polarisation TE/TM intégré sur substrat semiconducteur III-V de type GaAs. Le composant se base sur les effets électro-optiques linéaires pour modifier l'état de polarisation du signal optique. Ainsi, en menant un étude sur les propriétés électro-optiques linéaires, nous avons montré que l'application de deux champs électriques croisés au niveau du guide optique permettait de modifier l'état de polarisation de la lumière avec une efficacité équivalente à celle des composants intégrés sur niobate de lithium. En modélisant la propagation des modes guidés à travers le composant, les paramètres structurels ont pu être déterminés de manière à répondre aux contraintes imposées par le mode de fonctionnement (biréfringence modale et pertes optiques TM minimales). Les guides de type "chargés enterrés" ont ensuite été réalisés en utilisant les techniques micro-photolithographiques. L'aspect relatif à la nature des contacts électriques a été ensuite développée puis les modulateurs ont été fabriqués. Les résultats issus de la caractérisation des composants sont très prometteurs et démontrent ainsi le potentiel des matériaux semiconducteurs.

Ce travail de thèse est consacré à la conception et à la fabrication de diodes JBS en carbure de silicium. Une première partie de ce travail a consisté à concevoir par simulation une protection périphérique de la diode la plus efficace possible en réduisant sa sensibilité à la technologie (charges dans l’oxyde et activation des dopants). L’impact de la géométrie de l’anode de la diode JBS sur le champ électrique maximum sous le contact Schottky en inverse et la résistance série de la diode à l’état passant a été étudié. Une nouvelle architecture de diode JBS, à base de tranchées implantées, a été proposée pour pallier les limitations liées aux faibles profondeurs d’implantation d’Al. Une deuxième partie de ce travail a concerné le développement de briques technologiques, indispensables à la fabrication de la diode JBS, tels que les contacts métalliques et la gravure. Enfin, la fabrication complète et la caractérisation électrique de diodes ont été réalisées afin de valider les éléments de conception et l’intégration des briques technologiques développées durant cette thèse. / This study was dedicated to the design and to the fabrication of SiC JBS diodes. The first part of this work includes the design of robust efficient edge termination of the diode with special care to its technology sensitivity. The impact of anode layout of JBS diode on the maximum electric field under Schottky contact and on the on-state resistance has been investigated. A new structure of JBS diode, trenched and implanted, has been proposed to overcome the low Al implantation depth. A second part of this work has been focused on the development of technological steps required for the fabrication of JBS diodes such as metal contact and SiC etching. Finally, full fabrication and electrical characterization of diodes have been carried out in order to validate the design and the integration of technological steps developed during this thesis work.

Les convertisseurs à base de Si atteignent leurs limites. Face à ces besoins, le GaN, avec sa vitesse de saturation des électrons et le champ électrique de claquage élevés est candidat idéal pour réaliser des redresseurs, surtout s’il est épitaxié sur substrat à bas cout. Ce travail est dédié au développement des diodes Schottky sur AlGaN/GaN. Une couche de SiNx en faible traction a été obtenue. Un contact ohmique de Ti/Al avec une gravure partiel a donné une Rc de 2.8 Ω.mm avec une résistance Rsh de 480 Ω/□. Des diodes Schottky avec les étapes issues de ces études ont été fabriqué. La diode recuite à 400 °C avec 30 nm de profondeur de gravure a montré une hauteur de barrière de 0,82 eV et un facteur d'idéalité de 1,49. La diode a présenté une très faible densité de courant de fuite de 8.45x10-8 A.mm-1 à -400 V avec une tension de claquage entre 480 V et 750 V. / Si-based devices for power conversion applications are reaching their limits. Wide band gap GaN is particularly interesting due to the high electron saturation velocity and high breakdown electric field, especially when epitaxied on low cost substrates such as Si. This work was dedicated to the development and fabrication of the Schottky diode on AlGaN/GaN on Si. SiNx passivation in very low tensile strain is used. Ti (70 nm)/Al (180 nm) partially recessed ohmic contacts annealed at 800 ºC exhibited a 2.8 Ω.mm Rc with a sheet resistance of 480 Ω/sq. Schottky diodes with the previously cited passivation and ohmic contact were fabricated with a fully recessed Schottky contact annealed at 400 ºC. A Schottky barrier height of 0.82 eV and an ideality factor of 1.49 were obtained. These diodes also exhibited a very low leakage current density (up to -400 V) of 8.45x10-8 A.mm-1. The breakdown voltage varied between 480 V and 750 V.

Au cours des dernières années, les efforts de recherche et de développement pour les capteurs de gaz se sont orientés vers l'intégration de nanomatériaux afin d'améliorer les performances des dispositifs. Ces nouvelles générations promettent de nombreux avantages notamment en matière de miniaturisation et de réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs, la détection sous gaz (sensibilité, seuil de détection, temps de réponse, ...) s'en retrouve améliorée à cause de l'augmentation du ratio surface/volume de la partie sensible. Ainsi, de tels capteurs peuvent être intégrés dans des systèmes de détections ultrasensibles, autonomes, compactes et transportables. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser des réseaux verticaux de nanofils semi-conducteurs pour créer des dispositifs de détection de gaz hautement sensibles, sélectifs, avec une faible limite de détection (de l'ordre du ppb) et intégrable dans des technologies CMOS, tout en étant générique et adaptable à plusieurs types de matériaux afin de discriminer plusieurs gaz. Une première partie expose la mise au point d'un procédé grande échelle, reproductible, compatible avec l'industrie actuelle des semi-conducteurs (CMOS), pour obtenir un capteur basé sur une architecture 3D à nanofils. Le dispositif est composé de deux contacts symétriques en aluminium à chaque extrémité des nanofils, dont l'un est obtenu par l'approche dite du " pont à air ", permettant la définition d'un contact tridimensionnel au sommet du nanofil. La seconde partie présente les performances sous gaz des dispositifs développés et les mécanismes de fonctionnement. Le capteur démontre des performances record en matière de détection du dioxyde d'azote (30% à 50 ppb) en comparaison à l'état de l'art (25% à 200 ppb). De plus, cette approche permet de mesurer de très faibles concentrations de ce gaz (< 1 ppb) de manière sélective, dans des conditions proches des conditions réelles : humidité (testé jusqu'à 70% d'humidité) et mélange avec d'autres gaz plus concentrés et la réversibilité du capteur est naturelle et se fait à température ambiante sans nécessité des conditions particulières. / In recent years, efforts of research and development for gas sensors converged to use nanomaterials to optimize performance. This new generation promises many advantages especially in miniaturization and reduction of energy consumption. Furthermore, the gas detection parameters (sensitivity, detection limit, response time ...) are improved due to the high surface/volume ratio of the sensitive part. Thus, this sensors can be integrated in ultrasensitive detection systems, autonomous, compact and transportable. In this thesis, we propose to use 3D semiconductor nanowires networks to create highly sensitive and selective gas sensors. The objective of this work is to provide a highly sensitive sensor, featuring a low detection limit (in the ppb range) and embeddable in CMOS devices. In addition process is generic and adaptable to many types of materials to discriminate several gas and converge to electronic nose. The first part of the dissertation is based on development of a large scale, reproducible, compatible with Si processing industry and conventional tools (CMOS), to obtain a sensor based on a 3D nanowire architecture. The device is composed by two symmetrical aluminum contacts at each extremity of the nanowires, including a top contact done by air bridge approach. The second part of this work presents the gas performances of components and working mechanisms associated. A very high response (30%) is obtained at 50 ppb of NO2, compare to the state of the art, 25% reached for 200 ppb. This approach can measure selectively very low concentrations of gas (<1 ppb) in real working conditions: moisture (tested up to 70% moisture) and mixing with other more concentrated gas (interfering gas). In addition, the reversibility of the sensor is natural and occurs at room temperature without requiring specific conditions.

Les matériaux III-N ont apporté un gain considérable au niveau des performances des composants pour les applications en électronique de puissance. Les potentialités majeures du GaN pour ces applications résident dans son grand champ de claquage qui résulte de sa large bande interdite, son champ de polarisation élevé et sa vitesse de saturation importante. Les hétérostructures AlGaN/GaN ont été jusqu’à maintenant le système de choix pour l’électronique de puissance. Les limites sont connues et des alternatives sont étudiées pour les surmonter. Ainsi, les hétérostructures InAlN/GaN en accord de maille ont suscité beaucoup d’intérêts, notamment pour des applications en électronique de puissance à haute fréquence. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à élaborer et caractériser des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) afin d’établir des corrélations entre défauts structuraux, électriques et procédés de fabrication. Une étude sera donc menée sur la caractérisation de composants AlGaN/GaN afin de cerner les paramètres de croissance susceptibles d’avoir un impact notable sur la qualité structurale et électrique de la structure, notamment sur l’isolation électrique des couches tampons et le transport des porteurs dans le canal. En ce qui concerne les HEMTs InAlN/GaN, l’objectif est d’évaluer la qualité de la couche barrière. Pour cela, une étude de l’influence des épaisseurs ainsi que la composition de la barrière sera menée. La combinaison de ces études permettra d’identifier la structure optimale. Ensuite, l’analyse des contacts Schottky par des mesures de courant et de capacité à différentes températures nous permettra d’identifier les différents modes de conduction à travers la barrière. Enfin, les effets de pièges qui constituent l’une des limites fondamentales inhérentes aux matériaux étudiés seront caractérisés par différentes méthodes de spectroscopie de défauts. / III-N materials have made a significant gain in component performance for power electronics applications. The major potential of GaN for these applications lies in its large breakdown field resulting from its wide bandgap, high polarization field and high electronic saturation velocity. AlGaN/GaN heterostructures have been, until recently, the system of choice for power electronics. The limits are known and alternatives are studied to overcome them. Thus, lattice matched InAlN/GaN heterostructures have attracted a great deal of research interest, especially for high frequency power electronic applications. The aim in this work of thesis consists in developing and in characterizing High Electron Mobility Transistors (HEMTs) to establish correlations between structural, electrical defects and technologic processes. A study will therefore be conducted on the characterization of AlGaN/GaN components to enhance the parameters of growth susceptible to have a notable impact on the structural and electrical quality of the structure, in particular on the electrical isolation of the buffer layers and the transport properties. For InAlN/GaN HEMTs, the objective is to evaluate the quality of the barrier layer. For this, a study of the influence of the thickness as well as the composition of the barrier will be conducted. The combination of these studies will allow identifying the optimum structure. Then, the analysis of Schottky contacts by measurements of current and capacity at different temperatures will allow us to identify the several conduction modes through the barrier. Finally, the effects of traps which constitute one of the fundamental limits inherent to the studied materials will be characterized by various defects spectroscopy methods.