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Sujet de stage / Master 2 Internship

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L'interface ferroelectrique-Ga2O3 pour des applications dans l'électronique de puissance

Spécialité : PHYSIQUE / Physique de la matière condensée

Contact : BARRETT Nick,
e-Mail : nick.barrett@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 32 72
Laboratoire : /

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-5 mois
Date limite de constitution de dossier : 27/03/2020

Résumé :
Le stage consistera en l'étude de la possibilité d'augmenter la gamme d'applications de Ga2O3 utilisant une couche ferroélectrique de HfO2. La structure chimique et électronique de l'interface sera étudiée en XPS et en PEEM pour l'imagerie des domaines frroélectriques.

Sujet détaillé :
Le Ga2O3 fait partie de la famille de semi-conducteurs à très grande bande interdite avec des performances potentiellement sans équivalent pour l’électronique de puissance grâce à un champ d’écroulement pouvant atteindre 8-12 MV/cm. La grande bande interdite permet le fonctionnement à haute tension et à températures élevées, rendant le Ga2O3 idéal pour des applications pour l’électronique de puissance dans des environnements hostiles ou exigeants.
Malheureusement, le Ga2O3 ne peut pas être dopé type p. En conséquence, on ne peut réaliser que des dispositifs unipolaires. L’absence d’un dopage de type p, à cause d’une tendance d’auto-piégeage des trous [Varley2012] signifie que l’on ne peut pas réaliser des jonctions p-n et que des MOSFETs en mode d’enrichissement avec des applications pour des interrupteurs de puissance ne sont pas possibles.
Le stage consistera en une étude préliminaire de la possibilité d’augmenter la gamme de dispositifs à base de Ga2O3 par l’introduction d’une couche fonctionnelle à l’empilement. La ferroélectricité fournit une telle fonctionnalité avec deux états fondamentaux équivalents de polarisation électrique opposée, commutables sous un champ électrique externe. L’insertion d’une couche mince ferroélectrique, par définition isolante, entre l’électrode de Schottky et la couche de Ga2O3 dans un diode à barrière de Schottky (SBD) ou entre la grille et le canal dans un MOSFET à puissance fournirait deux états conducteurs.
Dans un SBD, la couche ferroélectrique limiterait les courants de fuite et le bias interne pourrait ajuster la tension de fonctionnement, réduisant la consommation d’énergie. Dans un MOSFET à base de Ga2O3, l’insertion d’une couche ferroélectrique entre la grille métallique et le canal pourrait décaler le mode de fonctionnement du transistor vers l’enrichissement, c’est-à-dire à VGS = 0 le canal serait bloquant.
La nature robuste de la polarisation ferroélectrique et l’ajout d’un voltage interne dans l’empilement, pourraient alors étendre les modes de fonctionnement des dispositifs à deux et à trois terminaux.
Le stage étudiera la structure chimique et électronique de l’interface entre le HfO2 ferroélectrique [Böschke2011] et une couche de Ga2O3 dopé type n, avec la spectroscopie des photoélectrons stimulés par les rayons X (XPS) et la microscopie d’électrons en photoémission (PEEM) pour imager les domaines ferroélectriques [Copie2017] dans le HfO2.
Ce stage fait partie d’une collaboration entre le laboratoire de recherche de l’armée de l’air à Dayton, Ohio (USA) qui fournira les échantillons.
[Varley2012] J.B. Varley et al., Physical Review B 85, 081109 (2012)
[Böschke2011] T. S. Böscke, J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder, and U. Böttger, Applied Physics Letters 99 (2011)
[Copie2017] O. Copie et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 29311 (2017).

Techniques utilisées au cours du stage :
Spectroscopie des photoélectrons stimulés par les rayons X Microscopie d'électrons par photoémission

Mots clés : Ga2O3 ferroélectricité, XPS, PEEM

Lien vers le laboratoire
Lien vers la page du tuteur

 

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