Couches nanométriques : formation, interfaces, défauts – Matériaux pour la conversion d’énergie

Equipe

• Membres permanents : Jean-Louis Cantin, Ian Vickridge, Emrick Briand, Sébastien Steydli
• Chercheur émérite : Jurgen von Bardeleben
• Doctorant : Thomas Ribault

Identification des défauts des semiconducteurs à grande bande interdite

La transition énergétique implique une diversification des sources d’énergie électrique et une gestion optimisée du réseau permettant la distribution de cette énergie. Il en résulte un besoin croissant en dispositifs électroniques de puissance efficaces, assurant avec un minimum de pertes l’adaptation et la conversion de tension depuis ces sources variées jusqu’au consommateur final. Les composants de puissance à base de silicium sont  aujourd’hui remplacés par des composants plus performants réalisés à partir de semiconducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). Des matériaux à ultra-large bande interdite (Ultra Wide Band Gap) tels que l’oxyde de Gallium (Ga₂O₃), le diamant et le nitrure d’aluminium permettraient d’améliorer encore l’efficacité des transferts de puissance en assurant des conversions de tension de plusieurs kV avec des intensités de plusieurs centaines d’ampères.

Légende : Applications des semiconducteurs à grande bande interdite pour l’électronique de puissance.

Son relativement faible cout de fabrication et sa très grande bande interdite de 4,8 eV qui conduit à un champ de claquage impressionnant de l’ordre 8 MV/cm, rendent l’oxyde de Gallium particulièrement  prometteur. Si des progrès ont été réalisés dans la croissance de cristaux de qualité, la maitrise du dopage et la réduction des défauts électriquement actifs liés à la croissance mais aussi induits par la fabrication des composants restent des étapes déterminantes. En effet, ces défauts dans le volume ou aux interfaces peuvent agir comme des centres de recombinaison des porteurs de charges et par conséquent détériorer les performances des composants.

L’équipe a une expertise reconnue dans l’étude des défauts des semiconducteurs par résonance magnétique électronique. Après avoir contribuer à lever les verrous technologiques pour l’utilisation du SiC par l’industrie microélectronique, nous cherchons aujourd’hui à identifier les défauts du Ga₂O₃. Nos études se focalisent sur les défauts ponctuels : lacunes, impuretés, interstitiels qui génèrent des états électroniques dans la bande interdite et déterminent donc les propriétés électriques et optiques de ces matériaux et impactent par conséquent le fonctionnement des composants.

Spectromètres RPE. © INSP

Nos recherches utilisent la résonance magnétique électronique pour identifier et quantifier les défauts par le biais de leur spin électronique. Les spectromètres de résonance magnétique de l’équipe permettent une excitation optique in situ, ce qui renseigne sur la position des niveaux d’énergie de ces défauts dans la bande interdite. Nous tirons également profit de l’accélérateur d’ions de l’équipe pour générer des défauts par irradiation, dans le but d’amplifier la concentration de défauts pour les analyser ou pour comprendre la dégradation des composants soumis à des bombardements ioniques.

Photo-EPR: excitation optique in situ pour révéler les défauts. © INSP

Ces recherches sont financées par :

– ANR – GOPOWER [2021-2025]: Accélérer la démonstration du potentiel de l’Oxyde de Gallium pour les applications du domaine de l’énergie. https://anr.fr/Projet-ANR-21-CE50-0015

– PEPR Electronique (Programmes et équipements prioritaires de recherche) – France 2030 – Projet GOTEN [2024-2028]: Repousser les limites de l’électronique de puissance : L’oxyde de gallium, le semi-conducteur de puissance de la prochaine génération. https://www.pepr-electronique.fr/goten/

https://www.pepr-electronique.fr/goten/

Publications récentes

• H. J. von Bardeleben, J. L. Cantin, High-Frequency Electron Paramagnetic Resonance and Electron-Nuclear Double Resonance Spectroscopy Study of the Ga Vacancy in β-Ga2O3, Physica Status Solidi B, 2400486 (2024)
• H. J. von Bardeleben and J. L. Cantin. Unusual conduction mechanism of n-type β-Ga₂O₃: A shallow donor electron paramagnetic resonance analysis, Journal of Applied Physics 128, 125702 (2020) https://doi.org/10.1063/5.0023546
• JL Cantin, Magnetic resonance methods, Chapter 4 in ‘Characterisation and Control of Defects in Semiconductors’ p 151-198
  Edited by Filip Tuomisto, Pub.: The Institution of Engineering and Technology
  596 pages, ISBN : 9781785616556 (2019)