Titre original :

Étude par microscopie à champ proche de matériaux III-N pour émetteurs électroniques planaires

Titre traduit :

Kelvin force microscopy on gallium nitride materials and devices

Mots-clés en français :
  • Microscopie à sonde de Kelvin

  • Microscopie à force atomique
  • Nitrure de gallium
  • Potentiel de surface
  • États électroniques de surface
  • Semiconducteurs à large bande interdite
  • Gravure par plasma
  • Contacts métal-semiconducteur
  • Langue : Français
  • Discipline : Molécules et matière condensée
  • Identifiant : 2008LIL10014
  • Type de thèse : Doctorat
  • Date de soutenance : 03-03-2008

Résumé en langue originale

Ce travail de thèse consiste à étudier l'instrumentation de la sonde de Kelvin (KFM) sur un microscope à force atomique (AFM) commercial et ensuite à caractériser les surfaces et composants à base nitrure de gallium (GaN). Le potentiel de surface Vs, entre une pointe métallique et un matériau semiconducteur dépend de la différence de travaux de sortie des deux matériaux, des concentrations en dopants et des états de surface du semiconducteur. La technique KFM permet d'obtenir cette information à une échelle nano ou micrométrique. Ce projet a consisté à développer ce mode de mesure à partir de microscopes AFM commerciaux. L'étude de l'instrumentation a permis de montrer la présence de couplages parasites qui entachent d'erreur la mesure de Vs. Une stratégie est alors proposée pour permettre la mesure de Vs tout en s'affranchissant de ces effets parasites. Cette technique est ensuite appliquée à la caractérisation de structures à base de GaN. L'intérêt pour ce matériau semiconducteur à large bande interdite est croissant en électronique de puissance, par exemple pour la réalisation d'émetteurs électroniques de puissance. Pour étudier les propriétés électriques de ce matériau, nous avons réalisé une référence de potentiel qui nécessite le développement de contacts ohmiques sur le GaN de type n et p. A partir des valeurs de Vs mesurées par KFM, nous en déduisons la densité de charges de surface et une estimation de la densité d'états de surface du GaN. Enfin, nous avons étudié par KFM les effets de traitements de surface sur des structures MIS à base de GaN de type n, ainsi que les effets de différentes passivations sur des transistors HEMT à base d'AIGaN/GaN.

Résumé traduit

The purpose of the thesis is to study GaN materials and devices with an atomic force microscopy in Kelvin Force Mode. The contact potential difference between a metal tip and a semiconducting material depends on the work function difference between the materials, the concentration of dopants, and the density of acceptor or donor surface states. KFM techniques provide this information at the nano- or micrometer scale. ln a first step, we have developed KFM measurement procedures on commercial microscopes in order to extract fully quantitative measurements of surface potentials. We have evidenced instrumental capacitive cross talks, for example between the electrostatic excitation and the microscope photodiode, which act as parasitic terms in the measurement of surface potentials, and need to be properly taken into account in order to get reliable measurements of contact potential differences. ln a second step we have studied the electrical properties of GaN surfaces, this material being of strong interest for power electronic applications such as electron emitters. To get a potential reference for KFM measurements, ohmic contacts on n and p-type GaN have been achieved. The KFM characterization of the layers shows surface-state induced band-bending at the oxidized GaN surface. From the values of surface potentials, we calculate the density of charge and estimate the density of surface states. We finally study the effects of surface treatments on n-GaN-MIS structures, as weIl as different types of passivation used in AlGaN/GaN HEMTs.

  • Directeur(s) de thèse : Théron, Didier - Mélin, Thierry
  • École doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)

AUTEUR

  • Barbet, Sophie
Droits d'auteur : Ce document est protégé en vertu du Code de la Propriété Intellectuelle.
Accès libre