En effet, les nitrures de bore BN sp³ sont très stables chimiquement avec une très bonne conductivité thermique et une forte résistivité électrique. Cc sont aussi des matériaux transparents non seulement dans le domaine visible et une grande partie de l’infrarouge mais aussi dans le domaine des rayons X. A ce jour, le nitrure de bore cubique (c-BN) est le plus dur parmi les matériaux connus, après le diamant. Comme le diamant, c’est un semi-conducteur qui peut être indifféremment dopé n (Si) ou p (Be). Ces propriétés exceptionnelles font du nitrure de bore un matériau prometteur dans de nombreux domaines d’applications sous forme de films minces. Toutefois, ces applications potentielles sont encore loin d’être réalisées en raison de problèmes récurrents liés à la réalisation de films minces de c-BN. Il n’existe pas de sources commerciales de substrats de c-BN de taille utilisable. Le dépôt doit être réalisé sur un substrat de nature différente. Les fortes contraintes résiduelles des films conduisent à une mauvaise adhérence sur le substrat et à une délamination récurrente. Des études antérieures, réalisée à l’ENSAM de Cluny, ont permis de démontrer que la contrainte dans les films de BN est un facteur déterminant au cours de la croissance de ces films et participe à la transition du BN sp² vers le c-BN.

L’objectif de cette étude menée en collaboration avec l’université de Dresde (Rossendorf :  Institute of Ion Beam Physics and Materials Research) est d’étudier l’évolution de la contrainte pendant la croissance de films de BN afin de mieux comprendre les phénomènes physiques intervenant lors de cette croissance. Pour atteindre un tel objectif, nous mettons en œuvre des systèmes de mesure in situ (Rossendorf Institute) et ex situ (IMN) destinés à mieux comprendre les phénomènes de nucléation et de croissance des films de nitrure de bore cubique. La compréhension de ces phénomènes pourrait à terme permettre de résoudre les problèmes d’adhérence associés aux films minces de nitrure de bore. L’obtention de films épais de c-BN pourrait permettre la réalisation de systèmes microélectronique ou optique plus performants et l’amélioration du management thermique de dispositifs de fréquence.

Thermique des transistors HEMT GaN (Financement Thales III-V Lab)

Les transistors HEMT piézo-électriques à base de composés III-N sont développés à l’heure actuelle par tous les grands pays industrialisés : Etats Unis d’Amérique, Europe, Japon, Chine, Corée, à la fois pour des applications civiles et pour des applications militaires. On pense actuellement que ces transistors pourraient remplacer, à terme, toutes les familles de transistors existantes destinées à l’amplification à haute fréquence, du mégahertz à plus de 20 GHz, notamment les familles sur silicium (LD-MOS) et les familles sur GaAs : MESFET, HEMTs pseudomorphiques, HBT GaAlAs/GaAs ou GaInP/GaAs.

A l’heure actuelle, au niveau de la démonstration en laboratoire, les performances des composants HEMT GaN de puissance, bien que largement supérieures aux performances des HEMT GaAs, sont directement limitées par la résistance thermique présente entre le canal du transistor et la source froide du système amplificateur (figure5).

 

 

Figure 5: Exemple de configuration de HEMT GaN avec dépôt d’une couche à conductivité thermique élevée (K th) déposée sur le semiconducteur avant la réalisation des contacts métalliques

 

 

 

Notre étude vise à réduire la résistance thermique des transistors de puissance hyperfréquence de type HEMT piézo-électrique à base de composés III-N, nitrures de gallium (GaN), aluminium et indium, que nous appellerons par la suite « HEMT GaN » par souci de simplification de la lecture.

Il existe peu de matériaux diélectriques dont la conductivité thermique dépasse 200 W / K.m. Ce sont exclusivement des matériaux constitués d’éléments chimiques légers appartenant aux deux premières lignes du tableau périodique. Ils peuvent tous être fabriqués sous la forme de couches minces de quelques microns d’épaisseur.

Le diamant est le matériau conducteur thermique par excellence, viennent ensuite : BN, SiC, BeO, BP, AlN, GaN, Si, et AlP. Les nitrures III-V sont donc de bons candidats pour cette application.

Les nitrures de bore et le DLC présentent un intérêt particulier dans de nombreux domaines, outre leur propriétés microélectronique en tant qu’isolants ou semiconducteurs, les caractéristiques mécaniques (dureté, coefficient de frottement, résistance à l’abrasion), optiques (transparence, couleur, ..) et thermiques de ces matériaux leur ouvrent des applications en optique comme couche de protection et de décoration, en mécanique comme couche anti-corrosion ou revêtement d’outils de coupe et surtout en électronique comme couche active ou de passivation des composants, et plus, récemment, pour la gestion du budget thermique des composants de puissance ou hyperfréquences.

 

Les couches minces de DLC à fort taux de carbone sp3 et BN cubique sont donc de bons candidats potentiels pour ce type d’application. Par contre, peu de résultats sont disponibles sur les propriétés thermiques de couches de nitrure de bore. Le choix d’étudier ce type de matériau est basé sur les considérations suivantes :

• Forte conductivité thermique du monocristal sp3 ( > 1000 W/K.m à 300K ),
• Forte analogie avec les structures carbonées, malgré la différence d’ionicité des liaisons,
• Expérience préliminaire sur la synthèse de couches à base de nitrures de bore.

 

Figure 6: Configuration permettant de réduire localement la résistance thermique d’une puce

 

Les applications visées sont notamment la passivation secondaire de transistors de puissance hyperfréquence dans lesquels le contact Schottky de grille a déjà été réalisé. L a température de substrat doit donc être inférieure à 500°C. La pulvérisation magnétron a été privilégiée car cette technique peut facilement être mise en œuvre sur un réacteur de production et intégrée dans une ligne de production des transistors.

Dans une première phase de l’étude, la mise au point du dépôt de films minces d’AlN par pulvérisation magnétron a été explorée. Ces films AlN ont permis de valider la méthode de mesure des propriétés thermiques. Un réacteur de dépôt dédié au matériau BN est en cours d’installation au laboratoire. Le dépôt de films de BN sera donc réalisé dans une deuxième phase.

Mesures des propriétés thermiques

La détermination des propriétés thermiques des films minces est un problème relativement complexe. Très souvent, dans la littérature, les mesures sont réalisées sur des membranes en suspension. Ce type de mesures ne convient pas pour les domaines d’applications tels que l’optique, l’électronique et les couches de passivation pour lesquelles les films à caractériser ont une épaisseur de l’ordre du micron. Parmi les méthodes de mesures existantes, deux méthodes sont bien adaptées à la problématique des couches minces:

• Une méthode optique, la photoréflexion qui consiste à analyser la variation de réflectivité d’un film métallique déposé sur le film à caractériser (méthode laser)
• Une méthode électrique faisant intervenir un pont de résistances électriques thermo-sensibles encastrées dans le film à caractériser.

L’étude du comportement thermique des dépôts a été initiée en collaboration avec l’équipe de Y. Scudeller du LGMPA-Nantes. Après avoir montré que les méthodes optiques et électrothermiques conventionnelles étaient inopérantes pour des couches minces à forte conductivité thermique, la réalisation de microcapteurs thermiques en couches minces a débuté en collaboration avec le LGMPA et l’IREENA de Nantes. La première version du micro-capteur a été testée avec succès sur des films minces de silice, SiOCH et sur AlN et une procédure de dépôt de brevet est en cours.

Conductivité thermique des films AlN

 

 

 

Figure 7: Evolution de la conductivité de films AlN pour différentes orientations cristallines en fonction de la valeurs FWMH du modes FTIR E1.