Epitaxie de composés semiconducteurs borés (III-B)-N pour applications en Hyperfréquence et optoelectronique – GABORE

Le Nitrure de Gallium (GaN) et ses alliages formés avec l'Indium (GaInN) ou l'Aluminium (GaAIN) sont des semiconducteurs III-V dont la phase cristalline stable est hexagonale (wurzite). Ces matériaux à gap direct présentent des largeurs de bande interdite importantes (6eV pour AIN et 3.4eV pour GaN) que l'incorporation d'Indium permet de réduire (par exemple 2.6 eV pour Ga0.8In0.2N ou même 0.7eV pour InN). Ces matériaux possèdent des propriétés physiques qui les rendent attractifs pour des applications dans le domaine de l'optoélectronique (diodes électroluminescentes (DEL) ou lasers (DL) émettant dans la gamme allant du violet au rouge) et dans le domaine des applications de puissance hyperfréquence. L'un des facteurs limitant de ces matériaux réside dans l'absence de substrats adaptés en paramètre de maille. Les substrats couramment utilisés pour ces alliages nitrures sont le saphir, le carbure de silicium (SiC) ou le silicium (Si) , tous trois présentant des désaccords de paramètre de réseau importants avec GaN, respectivement 16%, 3.5% et 17%. Il en résulte une densité importante de dislocations dans le matériau GaN, ce qui est fortement préjudiciable pour la fiabilité des composants élaborés avec ces derniers. Parmi les études développées, relatives à la mise au point de substrats adaptés en paramètre de maille à GaN, l'élément Bore paraît être une voie originale pour réaliser ce challenge. En effet, l'incorporation de Bore dans les Binaires AlN et GaN permet d'éliminer le désaccord de paramètre de maille en formant respectivement les alliages BxGa1-xN et BxAl1-xN. Ces alliages ainsi que le quaternaire BGaAlN peuvent être accordés en paramètre de maille à la fois sur buffers SiC et AlN. L'énergie de bande interdite du quaternaire BGaAlN adapté en paramètre de maille sur SiC est comprise entre 3.8eV (340nm pour B0.17Ga0.83N) et 6eV (200nm pour B0.05Al0.95N). L'adaptation en paramètre de maille sur substrat AlN du quaternaire BGaAlN nécessite l'incorporation de moins de Bore par rapport à SiC avec une énergie de bande interdite comprise entre 3.6eV (344nm pour B0.12Ga0.88N) et 6eV(AlN). - Ces alliages à base de Nitrure de Bore possèdent des propriétés physiques très intéressantes comme une forte conductivité thermique, une grande robustesse, une excellente stabilité thermique et une transparence optique dans une gamme spectrale très importante. Ceci les rend très attractifs pour un grand nombre d'applications. - Par conséquent, ces alliages BGaAlN sur substrats SiC ou AlN sont très prometteurs à la fois pour des composants électroniques de puissance à haute fréquence mais aussi pour l'émission et la détection dans l'UV profond. Le ternaire BGaN a été épitaxié à la fois par épitaxie par jet moléculaire (MBE) et par epitaxie en phase vapeur dite «technique des organométalliques» (LP-MOCVD) [1,2]. Récemment, il a été publié une émission de 250nm-260nm à température ambiante, relative à une structure à multi-puits quantiques MQW (BAlGaN/AlN)/SiC, parfaitement contrôlée en contrainte [3]. - Des études théoriques ont permis d'estimer un certain nombre de paramètres physiques comme l'offset de bande DEc (2.5eV) et les indices de réfraction des ternaires BGaN et BAlN, l'énergie de bande interdite, la masse effective et le gain optique du ternaire BGaN. Ces caractéristiques montrent clairement l'intérêt de ces matériaux pour les applications envisagées. Néanmoins, malgré ces résultats prometteurs, ces alliages sont encore mal connus et leur élaboration n'est pas encore bien maîtrisée. - Dans le cadre de ce projet, nous nous proposons d'étudier les points suivants : - - La mise au point de la croissance MOCVD et de la caractérisation du système de matériaux B(GaAl)N sur substrats SiC et AlN. - - La progression dans la connaissance des propriétés physiques des alliages BGaN, BAlN et B(Ga,Al)N. - - L'évaluation de la qualité des matériaux B(Ga,Al)N. - - La réalisation de démonstrateurs de type structures HEMTs B(Ga)AlN/AlN/SiC