Développement de procédés de gravure plasma pour la fabrication de Nano-sources UV

Contexte :

Les diodes électroluminescentes (LED) UV remplacent progressivement les lampes à mercure
traditionnelles grâce à leur très faible consommation, leur longue durée de vie et leur grande
compacité. Aujourd’hui, ces LED UV sont réalisées à partir de semi-conducteurs nitrures III-N (GaN,
AlN et InN) crûs par épitaxie en couche minces pour réaliser des puits ou des boîtes quantiques qui
émettent fortement. Typiquement, l’émission des LED à base d’AlGaN peut couvrir toute la gamme
spectrale UV-A (λ=400-315 nm) et UV-B (λ=315-280 nm) qui sont employés pour des applications
médicales (traitement des maladies de peau, photothérapie), la détection optique, la polymérisation
et l’UV-C (λ=280-200 nm) ayant des applications bactéricides performantes. Actuellement, les LED UV
à base d’AlxGa1-xN atteignent des efficacités quantiques internes nettement inférieures à celle
obtenues pour les LED bleues à base de GaN (inférieures à 40% contre 80% pour les LED bleues), et
notamment les LED qui visent une émission dans l’UVC qui n’atteignent que quelques % d’efficacité.
Les faibles valeurs d’efficacité quantique des puits AlGaN sont en partie liées à la forte densité de
dislocations de la couche d’AlN ou d’AlGaN sur saphir qui sert à la croissance des puits AlGaN. Une
alternative pour s’affranchir de l’impact néfaste des dislocations serait de remplacer la technologie
planaire utilisée pour fabriquer ces LED par une approche basée sur des nanostructures 3D, c’est-àdire
des nanofils sur lesquels les puits quantiques seraient crûs radialement. Cette approche de
nanostructures coeur-coquille offre la perspective d’une meilleure qualité structurelle pour les puits
quantiques et donc une augmentation de l’efficacité quantique interne.

Objectif :

Dans ce contexte, l’objectif du stage de Master est de répondre au premier besoin technologique de
la fabrication de ces nanosources UV : la structuration par gravure plasma de fils d’AlN et de GaN de
diamètre inférieure à 200nm et long de 3-4μm, soit ayant des facteurs de forme de l’ordre de 30-40.
Ce point nécessite une compréhension fondamentale des mécanismes de gravure par plasma de
nitrures de semiconducteurs III-V de type AlN, GaN.
Ce travail sera effectué au sein de l’équipe « Procédé de gravure par plasma » du Laboratoire des
Technologies de la Microélectronique (LTM), laboratoire de recherche affilié au CNRS et l’Université
Grenoble Alpes (UGA) situé sur le site du CEA-LETI à Grenoble. Cette équipe mène une recherche
technologique amont dans le domaine des procédés de gravure par plasma. Ce stage s’inscrit dans le
cadre d’une collaboration entre le LTM/CNRS et le PHELIQS laboratoire du département de recherche
fondamentale (DRF) du CEA qui a une expérience de longue date sur la croissance par MOVPE (metal
organic vapor phase epitaxy) de nitrure de semiconducteurs III-V (AlN, AlGaN, GaN) dédiés à
l’élaboration de nouveaux dispositifs optoélectroniques pour le visible et l’UV.

Travail demandé:

Lors de ce stage, l’étudiant devra prendre en charge le développement de procédés de gravure plasma
impliqués dans la fabrication de fils d’AlN et de GaN, ainsi que leur caractérisation. Ces développements
seront réalisés sur les réacteurs de gravure industriels à source inductive (Inductively coupled plasma, ICP)
du LTM/CNRS localisés dans les salles blanches du CEA/LETI. Les matériaux et empilements à graver seront
fournis par le PHELIQS/LETI. Un masque de lithographie sera spécialement conçu pour réaliser des plots
de tailles agressives (<100nm) avec des densités différentes. Ces motifs seront à transférer par gravure
plasma dans les empilements de matériaux sous-jacents. Pour caractériser ces procédés, l’étudiant sera
amené à se familiariser aux techniques d’ellipsométrie pour évaluer des vitesses de gravure, de la
microscopie électronique pour évaluer la morphologie des profils obtenus, et de la spectrométrie à rayons
X (XPS) pour caractériser chimiquement les surfaces après gravure et ainsi apporter une compréhension
sur les interactions plasma/surface lors du procédé de gravure. Le défi associé à ce projet de stage est la
réalisation de nanofils avec des facteurs de forme supérieurs à 30, présentant des profils anisotropes et
un minimum de dommages sur les flancs, dommages pouvant compromettre la luminescence du
composant final.
Les nanofils ainsi obtenus pourront être exploités par le PHELIQS associé à ce projet, qui pourra prendre
en charge la croissance des structures actives par MOVPE. Dans ce contexte, l’étudiant en stage pourra
assister aux expérimentations de croissance au PHELIQS, et participer aux discussions pour l’amélioration
des procédés.

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