Description du sujet de thèse

Domaine et contexte scientifiques :
Les composants électroniques à base de matériaux semi-conducteurs à grand gap (SiC, GaN) connaissent un essor considérable pour les applications en électronique de moyenne puissance (1 kV / 10 A) comme par exemple le secteur des automobiles hybrides/électriques. Au-delà de cette gamme de puissance, les enjeux d’une électronique permettant d’augmenter la densité de puissance et l’efficacité de commutation/conversion sont considérables du point de vue des enjeux énergétiques et de la réduction des émissions de CO2 avec des applications notamment dans le domaine de la distribution du courant (smart grid) et des transports (ferroviaire). Pour répondre à ces exigences de puissance, il faut se tourner vers des matériaux dits à ultra grand gaps (UWBG) présentant des énergies de bande interdite (4 eV) et des champs de claquage (~10 MV.cm-1) appropriés comme le diamant, l’AlGaN ou le Ga2O3. Ce dernier, présente l’avantage unique de la disponibilité de substrats commerciaux de 150 mm de diamètre à coût raisonnable (3 fois moins cher que SiC). Un très fort challenge à relever pour les matériaux UWBG est le dopage. Ici encore Ga2O3 présente un grand intérêt étant donné que le dopage n peut être facilement réalisé sur des plages de valeurs larges [1-3]. Des dispositifs de puissance unipolaire ont été démontrés avec un fonctionnement normally-on [4-6]. La brique technologique manquante pour des dispositifs de puissance normally-off est le dopage de type p pour la réalisation de dispositifs bipolaires L’étude du dopage de type p fait l’objet d’une thèse démarrée au laboratoire (Mme O. Heribi). Pour l’instant, cette difficulté est contournée par l’usage d’une hétérojonction avec de l’oxide de Nickel (NiO de type) p [7]. Toutefois, lorsque les dimensions des dispositifs sont étendues pour obtenir de forts courant à l’état on, la tenue en tension en pâtie fortement. Ceci peut s’expliquer par la présence de défauts électriquement actifs sous la diode et/ou par la difficulté de réalisation de protections périphériques. L’objectif de la thèse sera donc de caractériser les défauts électriquement actifs présents dans le matériau Ga2O3 ainsi que ceux induits par les process technologiques employés pour réaliser les protections périphériques (implantations, gravures, passivation). A cette fin, le laboratoire INL et l’équipe « Matériaux Fonctionnels» possèdent une véritable expertise originale sur les techniques électriques et électro-optiques d’étude des niveaux électroniques induits par les pièges et les défauts dans les semi-conducteurs à grand gap. De plus la thèse est financée dans le cadre d’un projet national PEPR (Programme et Equipement Prioritaire de Recherche) dont le but est de réaliser une diode de puissance (10 kV, 10A) avec son packaging. Pour cela le consortium regroupe des experts français pour l’épitaxie du Ga2O3 (GEMAC), l’épitaxie du NiO (CEA-IRIG), l’intégration technologique (IEMN), la simulation et les caractérisations de puissance (Ampère) et le packaging associé à la gestion thermique des puces (LGP). Les caractérisations des défauts menées à l’INL seront complétées par des mesures de résonnance paramagnétique électroniques menées à l’INSP.

Objectifs de la thèse :
L’objectif global est donc de caractériser les propriétés de défauts électriquement actifs dans les épitaxies de Ga2O3 et les diodes de puissance réalisées sur ces épitaxies.
Le travail de thèse consistera à développer des techniques de caractérisation des défauts sur un matériau à très grande bande interdite (4.9 eV). En effet, la technique classique DLTS sera ici avantageusement complétée par des techniques optiques ou électro-optiques comme l’ODLTS (DLTS optique) et la DLOS permettant l’activation et l’observation de défauts très profonds grâce la photo-ionisation des porteurs libres. La mesure de transitoires de courant photo-induit particulièrement adaptés aux grands gaps du fait de l’utilisation de source optiques UV, sera également employée. Nous prévoirons également des mesures classiques de DLTS capacitive sous fort champ inverse afin de sonder la couche de drift des dispositifs de puissance. Ces développements s’appuierons sur le matériel existant (deux bancs de DLTS capacitive actuellement en fonctionnement dont un équipé de sources optiques) et d’un spectromètre.
Ces moyens de caractérisations seront employés pour deux objectifs :
1) Des études sur les défauts du matériau et en particulier des homo-épitaxies seront menées en collaboration avec le laboratoire GeMaC chargé de la croissance des couches épaisses (typiquement 10 µm ou plus) de type n. La modification des paramètres pour augmenter la vitesse de croissance pourra être à l’origine de la création de défauts qu’il sera nécessaire d’identifier. Le contrôle d’un faible dopage (1016 cm-3) sera également un challenge nécessitant des caractérisations électriques approfondies (I-V et C-V en température, DLTS pour comprendre le rôle des pièges). Pour mener ces caractérisations, il sera nécessaire de prévoir la réalisation de jonctions de type diodes Schottky. Pour cela le ou la doctorant.e s’appuiera d’une part sur les compétences en design du laboratoire Ampère et d’autre part sur la plateforme technologique de l’INL. Les niveaux de masques nécessaires à ces études ont d’ores et déjà été pensée et designés dans le cadre d’une autre thèse (M. Ghangzi Lu) en co-direction avec le laboratoire Ampère. Ces masques contiennent de plus des motifs pour la réalisation de mesures OBIC (Optical Beam Induced Current) qui permettent la mesure des coefficients d’ionisation par impact (ce paramètre est primordial pour la simulation des effes de claquage des composants sout fort champs).
Toujours au niveau des études matériau, des jonctions pn simples (sans protection périphériques pour la tenue en tension) seront ensuite réalisées (au laboratoire ou bien à l’IEMN) sur les hétérojonctions NiO(p)/Ga2O3(n). Le but sera également de caractériser les défauts de cette hétérojonction en essayant de discerner ceux qui peuvent provenir de la couche NiO (on s’appuiera sur l’étude précédent du Ga2O3 seul).
2) Le deuxième objectif est l’étude des dispositifs de puissance (diodes avec protections périphériques) qui seront réalisées à l’IEMN pour les diodes pn dans le cadre du projet GOTEN, et, à l’INL pour les diodes Schottky dans le cadre de la thèse de M. Lu. La réalisation de ces dispositifs nécessitera la réalisation de gravures MESA par gravure ICP, d’éventuelles implantations pour rendre le matériau isolant ou de type p pour réaliser des JTE dans le cas des Schottky (implantations Azote et Phosphore qui seront étudiées dans le cadre de la thèse de Mme Latra) et, de couches de passivations. Toutes ces étapes technologiques sont susceptibles de créer des défauts électriquement actifs potentiellement délétères pour le fonctionnement de la diode et en particulier sa tenue en tension inverse. Les études de spectroscopie de défauts mises en place précédemment permettront de faire cette analyse. Ces études seront couplées aux mesures des caractéristiques électriques (I-V , C-V) réalisée en faibles courant et tension à l’INL (10 mA , 100 V, soit 1 W) et sous forts champs ou à fort courant à Ampère.

L’étude permettra donc de corréler les données de spectroscopie des défauts à des dysfonctionnements éventuels des dispositifs observés sur leurs caractéristiques électriques. Les deux volets permettront de comprendre l’origine de ces défauts pour discerner ceux dus à la croissance de ceux induits par les procédés technologiques. Enfin les signatures des pièges (énergie d’activation section efficace de capture) déterminées pourront servir de paramètres injectables pour la modélisation des composants de même que les coefficients d’ionisation par impact.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée :
Le travail de thèse commencera par l’étude en DLTS des épitaxies de type n afin de caractériser les défauts de ce matériau puis à l’implémentation des extensions optiques (DLOS, ODLTS) nécessaires à l’étude du matériau UWBG (ceci se fera en collaboration avec Mme Latra).
Cette partie se fera en forte interaction avec le Gemac.
On appliquera ensuite ces techniques à l’étude des hétérojonctions pn NiO/Ga2O3 en interaction avec le Gemac toujours et le CEA-IRIG.
Le travail de deuxième année et début de troisième année consistera à étudier les diodes de puissance (Schottky INL-Ampère et pn IEMN) avec pour objectif de corréler les défauts aux caractéristiques électriques (facteur idéalité par exemple) et de sérier les problèmes liés à la technologie et ceux liés au matériau.

Environnement :
Comme dit dans l’introduction cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet de recherche PEPR Goten regroupant des experts français des filières semi-conducteurs à grands gaps allant du matériau au packaging. Au niveau local le ou la doctorant.e bénéficiera d’une forte synergie entre les laboratoire Ampère et INL donnant lieu à une très bonne dynamique sur le développement de la filière technologique Ga2O3 à Lyon. L’obtention d’un financement avec le projet PEPR, d’une thèse en 2023 à l’école doctoral EEA (M. Lu) et d’une autre thèse à l’école doctorale EDML en 2024 (Mme Latra) témoignent de cette dynamique et de la confiance accordée aux laboratoire porteurs. Ainsi ce travail de thèse sera réalisé au sein d’une petite équipe (3 doctorant.es et leurs encadrants + Une personne en post-doctorat à Ampère) favorisant un travail efficace grâce à l’entraide et la synergie avec comme présenté dans la description du travail des champs de recherches bien distincts pour chacune des thèses.

Contexte de travail

L’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) a pour vocation de développer des recherches technologiques multidisciplinaires dans le domaine des micro et nanotechnologies et de leurs applications. Les recherches menées s’étendent des matériaux aux systèmes. Le laboratoire s’appuie sur la plate-forme technologique lyonnaise NanoLyon.
Les domaines d’application couvrent de grands secteurs économiques : l’industrie des semiconducteurs, les technologies de l’information, les technologies du vivant et de la santé, l’énergie et l’environnement.
Le laboratoire est multi-sites avec des localisations sur les campus d’Ecully et de Lyon-Tech La Doua. Il regroupe environ 200 personnes dont 121 personnels permanents. L’INL est un acteur majeur du Pôle de Recherche et d’Enseignement.
Ce poste se situe dans un environnement innovant, à la pointe des technologies du futur, dans des secteurs stratégiques applicatifs.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Pas de contrainte sou risques particuliers.