GROWTH AND CHARACTERIZATION OF ALUMINUM NITRIDE AlN LAYERS BY HIGH TEMPERATURE CHLORIDE CVD

ELABORATION ET CARACTERISATION DE COUCHES DE NITRURE D'ALUMINIUM AlN PAR CVD HAUTE TEMPERATURE EN CHIMIE CHLOREE

A. Claudel (1)

1 SIMaP - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés

In optoelectronics, group III nitride semiconductors technologies will allow to reduce the electrical energy required for lighting. Aluminum nitride, AlN, is a very attractive substrate for UV LEDs manufacturing. The goal of this PhD thesis is to study the development of a high-rate growth process to produce AlN single crystals at high temperature from a chloride gas-phase (HTCVD). AlN layers are deposited using NH3 and AlCl3 which is synthesized by the in situ reaction between aluminum and chlorine. A preliminary thermodynamic study is carried out in order to investigate materials incompatibilities at high temperature. Thermodynamic modeling of the Al-N-Cl-H system can also exhibit the global chemical mechanisms and the optimized parameters useful for the development of AlN single crystal growth by CVD. An experimental parametric study is performed in order to understand the influence of operating conditions on AlN growth rate, surface morphology and crystalline state. Optimized conditions to achieve epitaxial growth are also investigated. Both, polycrystalline and epitaxial layers are structurally studied and their properties are investigated. A growth mechanisms and properties study is carried out for polycrystals produced at high growth rate. AlN epitaxial layers morphology, structure, defects and properties are studied.

En optoélectronique, l'avènement des technologies basées sur les nitrures du groupe III permettront une diminution de la consommation d'électricité dédiée à l'éclairage. Le nitrure d'aluminium, AlN, est particulièrement attractif pour la fabrication de diodes électroluminescentes UV. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier la faisabilité d'un procédé de croissance de monocristaux d'AlN à haute température à partir d'une phase gazeuse chlorée (HTCVD). Les dépôts d'AlN sont réalisés à partir de NH3 et AlCl3 synthétisé in-situ par chloruration de l'aluminium métallique par le chlore. Une étude thermodynamique préliminaire est réalisée afin de mettre en évidence les possibilités mais aussi les limites d'utilisation des matériaux en testant leurs compatibilités. Les modélisations thermodynamiques du système Al-N-Cl-H permettent aussi de montrer les mécanismes chimiques globaux et certains paramètres propices à l'élaboration d'AlN par CVD. Une étude paramétrique expérimentale du procédé est menée afin de comprendre l'influence des conditions opératoires sur la vitesse de croissance, la morphologie de surface et l'état cristallin des dépôts d'AlN. Des conditions propices à l'élaboration de couches épitaxiées sont également recherchées. Les dépôts polycristallins et épitaxiés réalisés sont étudiés structuralement et leurs propriétés sont caractérisées. Une étude des mécanismes de croissance et des caractéristiques des polycristaux élaborés à forte vitesse est menée. La morphologie, la structure, les propriétés et les défauts des couches épitaxiées sont étudiées.

Mots clés: single crystal; epitaxy; polycrystal; thermodynamics; optoelectronic substrates

Mots clés: AlN; monocristal; épitaxie; polycristal; HTCVD; thermodynamique; substrats pour l'optoélectronique

Domaines: Génie des procédés; Mécanique [physics.med-ph]

A. Claudel. ELABORATION ET CARACTERISATION DE COUCHES DE NITRURE D'ALUMINIUM AlN PAR CVD HAUTE TEMPERATURE EN CHIMIE CHLOREE. Génie des procédés. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00523292⟩