Stage M2/PFE: Caractérisations physiques avancées de couches de GaN et de Ga2O3

La transition énergétique nécessitera des dispositifs électriques de puissance capables de gérer des tensions et des courants élevés. Bien que le marché actuel des convertisseurs électroniques soit dominé par la technologie à base de silicium, ces dispositifs électroniques présentent des pertes intrinsèques élevées en raison des propriétés physiques limitées du silicium. Grâce à leurs propriétés physiques, les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels que le nitrure de gallium (GaN) ou même les semi-conducteurs à bande ultra-large (UWBG) tels que l'oxyde de gallium (Ga
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), sont particulièrement intéressants pour l'électronique de puissance. Le développement de dispositifs WBG ou UWBG plus efficaces devrait notamment améliorer l'efficacité de la conversion énergétique pour l'électrification des transports.

Grâce à leurs propriétés physiques, les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels que le nitrure de gallium (GaN) ou même les semi-conducteurs à bande interdite ultra large (UWBG) tels que le Ga
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sont particulièrement intéressants pour l'électronique de puissance. Le GaN possède un champ électrique critique important (jusqu'à 3,3MV/cm), une large bande interdite (3,4eV), et donc la capacité de fonctionner à une tension plus élevée. Les propriétés physiques de l'oxyde de gallium sont aussi parmi les meilleures des semi-conducteurs. Ces matériaux ne sont cependant pas tous au même stade de maturité et leurs champs d'application ne sont pas encore totalement identifiés. L'objectif de ce stage est de comprendre les liens entre la qualité des matériaux et les performances électriques des dispositifs. Pour cela des caractérisations physiques avancées telles que la
spectroscopie micro-Raman,
la
photoluminescence
et la
cathodo-luminescence
seront réalisées afin d'évaluer la qualité des couches de GaN et de Ga
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.

En particulier, nous voulons clarifier :

• Quel est l'impact de la qualité initiale du substrat sur les couches épitaxiées ?

• Quels défauts du substrat et des couches épitaxiées sont critiques pour les performances électriques du composant ?

Profil du candidat recherché :

•   Être inscrit en master ou école d'ingénieur dans les domaines de la micro-électronique, ou des matériaux.

•   avoir de bonnes bases en physique des semi-conducteurs. Des connaissances en techniques de caractérisation physique (Raman, luminescence et/ou cathodo-luminescence…)

•   présenter d'excellentes aptitudes à communiquer en français et  en anglais ;

•   être motivé par la recherche ;

•   avoir un projet professionnel cohérent avec le stage ;

•   être autonome, avoir un esprit critique et pouvoir travailler en équipe.

English version:

The energy transition will require electrical power devices capable of handling high voltages and currents. Although the current market for electronic converters is dominated by silicon-based technology, these electronic devices have high intrinsic losses due to the limited physical properties of silicon. Thanks to their physical properties, wide bandgap (WBG) semiconductors such as gallium nitride (GaN) or even ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductors such as gallium oxide (Ga2O3) are particularly interesting for power electronics. The development of more efficient WBG or UWBG devices should, in particular, improve energy conversion efficiency for transport electrification.

Thanks to their physical properties, wide bandgap (WBG) semiconductors such as gallium nitride (GaN) or even ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductors such as Ga2O3 are particularly interesting for power electronics. GaN has a high critical electric field (up to 3.3MV/cm), a wide bandgap (3.4eV), and therefore the ability to operate at higher voltages. The physical properties of gallium oxide are also among the best of any semiconductor. However, these materials are not all at the same stage of maturity and their fields of application have not yet been fully identified. The objective of this internship is to understand the links between material quality and the electrical performance of devices. To this end, advanced physical characterizations such as micro-Raman spectroscopy, photoluminescence, and cathodoluminescence will be performed to evaluate the quality of the GaN and Ga₂O₃ layers.

In particular, we want to clarify:

• What is the impact of the initial quality of the substrate on the epitaxial layers?

• Which defects in the substrate and epitaxial layers are critical for the electrical performance of the device?

Candidate profile:

•  Enrolled in a master's program or engineering school in the fields of microelectronics or materials.

•  Solid foundation in semiconductor physics. Knowledge of physical characterization techniques (Raman, luminescence, and/or cathodoluminescence, etc.).

•  Excellent communication skills in French and English.

•  Motivated by research.

•  Professional goals consistent with the internship.

•  Independent, critical thinker, and able to work in a team.