Investigation of ternary ΑlΙnΝ and quaternary ΑlGaΙnΝ alloys for high electron mobility transistors by transmission electron microscopy

• Main Author: Ben ammar, Hichem
• Other Authors: Normandie
• Language: en
• Published: 2017
• Subjects: Séparation de phase; Phase separation; Pinholes; Hillocks; AlInN; AlGaInN; TEM; AFM; APT; HEMT
• Online Access: http://www.theses.fr/2017NORMC241/document

Les semi-conducteurs III-V à base d’azote et leurs alliages possèdent des propriétés remarquables et sont largement étudiés depuis les années 90. En comparaison à d'autres semi-conducteurs III-V, Les alliages de type ; AlGaN, InGaN et AlInN, ont leurs bandes interdites, directes, du lointain ultra-violet au proche infrarouge. Ainsi, ils sont appropriés pour de nombreuses applications dans des domaines tant civils que militaires tout en montrant de meilleures performances. De plus, l'alliage quaternaire AlGaInN montre des propriétés intéressantes car il peut être épitaxié soit avec un paramètre de maille ou une polarisation ou une bande interdite accordé au GaN. De plus, avec AlInN, ces deux alliages pourraient, à terme, remplacer les barrières conventionnelles AlGaN/GaN pour les applications aux Transistors à Haute Mobilité Électroniques (HEMT) grâce à des performances supérieures prouvées théoriquement.Dans ce travail, nous avons étudié les alliages AlInN et AlGaInN dont la croissance a été faite par épitaxie en phase vapeur d’organométalliques (MOVPE). Pour cela, la microscopie électronique en transmission a été notre principal outil de caractérisation. Le but était de caractériser les défauts et les mécanismes de croissance pendant la MOVPE. Dans cette optique, l'incorporation de gallium dans la barrière en raison de la géométrie de la chambre de croissance menant à un alliage quaternaire a été étudiée. Le contrôle du taux de gallium est réalisé soit par un processus de nettoyage entre les épitaxies soit par les conditions de croissance. Les défauts ont été ensuite différenciés comme extrinsèques et intrinsèques. En effet, les dislocations et les domaines d'inversion dans le GaN produisent des défauts extrinsèques, tandis que, les « pinholes » non connectés aux dislocations et les « hillocks » responsables de la rugosité de surface sont définis comme intrinsèques. Les origines des défauts intrinsèques dépendent fortement des propriétés physiques des composés parents binaires. Ces dégradations systématiques sont observées même lorsque les conditions de croissance sont optimisées et quand la composition du film mince est changée ou son épaisseur augmentée.Notre travail propose des mécanismes différents pour expliquer les processus de dégradation pour les différents défauts observés et constitue donc un pas en avant pour la réalisation de HEMT à base de AlInN et AlGaInN de meilleure qualité. === Group III-Nitrides and their alloys exhibit outstanding properties and are being extensively investigated since the 90’s. In comparison to other III-V semiconductors, III-nitrides (AlGaN, InGaN, and AlInN) cover from deep ultraviolet (UV) to near infrared (IR) across the visible range of wavelengths. Thus, they are suitable for numerous applications both in civilian and military fields showing higher performances. Moreover, the quaternary alloy AlGaInN shows versatile properties as it can grow either lattice or polarization or bandgap matched to GaN. Alongside to AlInN, these two alloys are expected to replace conventional AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMT) barriers as higher performances have been theoretically demonstrated.In this work, we have studied AlInN and AlGaInN grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) using mainly TEM. The aim was to characterize defects and the MOVPE growth alloying process. In this instance, the gallium incorporation in the barrier due to the geometry of the growth chamber leading to a quaternary alloy was studied. The control of the gallium content is achieved by a cleaning process between runs or by the growth condition. Defects were then differentiated as extrinsic and intrinsic. In this way, dislocations and inversion domains from the GaN buffer layer generate extrinsic defects, while, pinhole not connected to dislocations and individual hillocks responsible of surface roughening are termed as intrinsic. The origins of the latter defects depend strongly on the physical mismatches of the end-binary compound. These systematic degradations happen also with optimized growth conditions as soon as the nominal composition is changed and/or the thickness is increased.Our work proposes different mechanisms to explain defects generation processes which constitutes a forward step for higher quality HEMTs.