Low temperature plasma deposition of III-V semiconductors (GaN) on Si
Dépôt plasma à basse température de semi-conducteurs III-V (GaN) sur Si
Résumé
The importance of the deposition of Gallium Nitride (GaN) thin films on Silicon substrates at reduced temperatures (< 500°C) stems from the increasing demand of the semiconductor industry in mitigating inherent drawbacks associated with high-temperature processing arising from the thermal mismatch between the film and the substrate. This doctoral thesis, done in collaboration with LPICM & IPVF, undertakes a comprehensive exploration of a low-temperature processing methodology, focusing on Plasma based Physical Vapor Deposition (PVD) as a promising avenue for circumventing the constraints of conventional growth techniques such as MOCVD and MBE. The newly custom-built plasma PVD reactor paves way to explore low-cost III-V deposition by plasma, which is a novel topic at the lab. The work delineates a systematic approach encompassing deposition processes, plasma diagnostics, material characterization, and growth optimization strategies for GaN films deposited at room temperature (RT). Plasma diagnostics play a pivotal role when investigating the intricate nuances of Ar-N2 plasmas used in the deposition process. The plasma discharge is characterized via optical emission spectroscopy (OES), two-photon absorption laser-induced fluorescence (TALIF), and microwave interferometry (MWI) to obtain parameters related to plasma temperatures and density. From the plasma diagnostics, two important parameters were estimated - the flux of the sputtered Ga atoms and their average energy at the substrate ((E_Ga^sub ) ̅), which allowed us to address the interplay between plasma characteristics and GaN film properties such as their growth rate and crystalline fraction. The assessment of GaN thin films deposited at room temperature was done using characterization techniques such as SEM, AFM & GIXRD, XPS and Cathodoluminescence (CL). Noteworthy findings include the successful growth of hexagonal wurtzite polycrystalline GaN exhibiting growth rates of ~ 2 Å/s and crystalline fractions of ~ 60% at an optimized sputtering condition (6.6 Pa, 40% N2 and 100 W), elucidating the profound influence of process parameters such as the working pressure, RF power and the N2 flow rate on the morphological, structural & optical properties. It was found that the growth rate estimated through calculations (~ 2.4 Å/s) was in good agreement with experiments, highlighting the validity of our method. Similarly, (E_Ga^sub ) ̅ of Ga correlated well with the crystalline fraction of the GaN films. Further investigation into the influence of substrate temperature from RT to 500°C emphasized the role of thermal energy in enhancing adatom mobility and crystalline quality with the best crystalline fraction of almost ~ 95% obtained at a substrate temperature of 400°C. Overall, this doctoral thesis provides an extensive understanding of the challenges, methodologies, and advancements underpinning the low-temperature processing of GaN thin films via Plasma PVD, by offering tangible insights into its optimization and control.
L'importance du dépôt de couches minces de Nitrure de Gallium (GaN) sur des substrats de silicium à des températures réduites (< 500°C) découle de la demande croissante de l'industrie des semi conducteurs pour atténuer les inconvénients intrinsèques associés au traitement à haute température survenant de l’incompatibilité thermique entre le film et le substrat. Cette thèse, réalisée en collaboration avec le LPICM et l'IPVF, entreprend une exploration complète d'une méthodologie de traitement à basse température. Elle concentre sur le Dépôt physique en Phase Vapeur (PVD) basé sur le plasma comme une voie prometteuse pour contourner les contraintes des techniques de croissance conventionnelles telles que le MOCVD et le MBE. Le réacteur PVD-plasma, récemment confectionné, dégage l'exploration du dépôt de III-V à faible coût par plasma, rendant le sujet novateur au laboratoire. Ce travail définit une approche systématique englobant les processus de dépôt, les diagnostics plasma, la caractérisation des matériaux et les stratégies d'optimisation de la croissance des films de GaN déposés à température ambiante (RT). Les diagnostics plasma s’engage dans l'étude des nuances complexes des plasmas Ar-N2 utilisés dans le processus de dépôt. La décharge de plasma est caractérisée par spectroscopie d'émission optique (OES), fluorescence induite par laser à deux photons (TALIF) et interférométrie micro-ondes (MWI) afin d'obtenir des paramètres liés aux températures et à la densité du plasma. Les diagnostics du plasma ont permis d'estimer deux paramètres importants : le flux des atomes de Ga pulvérisés et leur énergie moyenne au niveau du substrat ((E_Ga^sub ) ̅). Celà nous a permis d'étudier l'interaction entre les caractéristiques du plasma et les propriétés des films de GaN, telles que leur taux de croissance et leur fraction cristalline. L'évaluation des films minces de GaN, déposés à température ambiante, a été réalisée à l'aide des techniques de caractérisation telles que SEM, AFM & GIXRD, XPS et Cathodoluminescence (CL). Parmi les résultats remarquables, la croissance de GaN polycristallin de structure wurtzite hexagonale a bien été réussite avec manifestation des taux de croissance de ~ 2 Å/s et des fractions cristallines de ~ 60 % dans des conditions de pulvérisation optimisées (6,6 Pa, 40 % N2 et 100 W), tout en élucidant l'influence profonde des paramètres du processus tels que la pression de travail, la puissance RF et le débit de N2 sur les propriétés morphologiques, structurales et optiques. Il s’avère que la vitesse de croissance estimée par les calculs (~ 2,4 Å/s) était en bon accord avec les expériences certifiant l’affinité de notre méthode. De même, (E_Ga^sub ) ̅ de Ga est bien corrélée avec la fraction cristalline des films de GaN. Une étude plus approfondie de l'influence de la température du substrat de RT à 500°C accentue le rôle de l'énergie thermique dans l'amélioration de la mobilité des atomes ajoutés et de la qualité cristalline, la meilleure fraction cristalline de près de ~ 95% étant obtenue à une température de substrat de 400°C. Globalement, cette thèse permet de mieux comprendre les défis, les méthodologies et les progressions qui soutiennent le traitement à basse température des films minces de GaN par PVD-plasma, en offrant des aperçus concrets sur son optimisation et son contrôle.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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