Ingénierie quantique du transport électronique dans les hétérostructures de nitrures – TRANSNIT

L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle filière technologique reposant sur le transport vertical des électrons dans les semiconducteurs GaN/AlGaN. Nous proposons pour cela de manipuler le transport perpendiculaire et le confinement quantique des électrons à l'échelle nanométrique dans des couches ultraminces de GaN/AlGaN et de mettre en oeuvre des stratégies innovantes de croissance et de nanofabrication. Il est important de noter qu'il n'existe pas à l'heure actuelle de savoir-faire établi en termes d'élaboration, de simulation et de technologie des dispositifs GaN/AlGaN reposant sur le transport perpendiculaire. L'un des dispositifs modèles est la diode tunnel résonnante (DTR). Les premières tentatives par le groupe de Kishino au Japon de fabriquer des DTRs ont donné lieu à des résultats controversés, notamment parce que l'effet de résistance négative différentielle observé sur des diodes à double barrière GaN/AlN n'était pas reproductible. Le problème majeur pour ce type de composant épitaxié sur substrat c-saphir fortement désaccordé en maille est la présence de dislocations traversantes en très forte densité (typiquement ~109 cm-2). Les dislocations traversantes se manifestent par la présence de pièges et niveaux profonds dans les barrières (caractéristiques I-V non reproductibles). Elles donnent aussi lieu à des canaux de conduction parasite (courant de fuite) ou des centres diffusants. Dans ce projet, nous proposons des approches innovantes pour pallier ces difficultés en exploitant au mieux les compétences déjà démontrées au sein du consortium sur la conception, l'élaboration, la fabrication et la caractérisation des dispositifs nitrures. Des matériaux de haute qualité sans dislocations sont un pré requis pour démontrer et exploiter le transport quantique vertical dans les hétérostructures de nitrures. En ce qui concerne l'élaboration, nous utiliserons la technique épitaxiale la plus adéquate à l'heure actuelle pour la croissance de couches ultra-minces avec des interfaces abruptes et un contrôle d'épaisseur à la monocouche atomique près. Il s'agit de l'épitaxie par jets moléculaires avec une source d'azote par plasma RF (CEA) ou obtenue par cracking de l'ammoniac (CRHEA). Notre stratégie pour réduire/contrôler la densité de dislocations est la suivante. Elle repose sur l'utilisation de substrats de haute qualité (GaN sur saphir, silicium(111) et substrats GaN auto-supportés) mais aussi sur la réduction de la taille des dispositifs en suivant deux approches. La première dite « bottom-up » met en œuvre la technique d'épitaxie sélective sur des ouvertures de masque diélectrique déposé sur le substrat et conduit à la fabrication de micro piliers GaN/AlGaN sans défaut avec un diamètre de l'ordre de la centaine de nanomètres. La seconde approche dite « top-down » repose sur l'homoépitaxie sur substrat de GaN auto-supporté. Ces substrats présentent une densité de dislocations réduite à moins de 5x106 cm-2, ce qui permet la fabrication de micro dispositifs sans dislocations sous forme de mesas de taille 10-100 ?m2. La fabrication des dispositifs en salles blanches s'appuiera sur l'expertise en nanotechnologie disponible à l'IEMN et à la CTU-Minerve à l'IEF. Nous proposons d'étudier le transport quantique vertical en se focalisant sur deux types de composants modèles : 1) des diodes tunnels résonnantes sous forme soit de micro-piliers (bottom-up) soit de micro-mesas (top-down) ; 2) des photodétecteurs intersousbandes à multi puits quantiques pour le domaine spectral lointain-infrarouge. Notre objectif à mi-parcours est de démontrer des prototypes de DTRs fonctionnels fabriqués suivant les deux approches bottom-up et top-down. L'objectif final est la démonstration de DTRs optimisées fonctionnant en régime microonde ainsi que de composants photoconducteurs à multi-puits quantiques pour la détection dans le domaine spectral THz. Pour mener à bien la caractérisation des matériaux et des dispositifs, le consortium .