Physique des interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN pour l'électronique de puissance // Interface physics of ferroelectric AlBN/Ga2O3 and AlBN/GaN stacks for power electronics

L’aviation commerciale est responsable pour 2,5% des émissions mondiales de CO2 (1bT). Une vraie perspective propre à long-terme pour éliminer une partie significative des émissions de CO2 devra être électrique. Une solution viable pourrait être l’avion hybride dans lequel les turbines à gaz seraient utilisés pour le décollage et l’atterrissage tandis que la croisière en vol serait alimentée électriquement. Une telle solution requiert des composants à haute tension. La recherche fondamentale est nécessaire pour optimiser des matériaux à intégrer dans les composants électroniques capables à supporter de telles puissances.

L’idée originale du projet Ferro4Power est d’étendre la gamme d’applications de dispositifs à base de Ga2O3 et GaN en introduisant une couche ferroélectrique d’AlBN à haute tension de claquage, compatible avec une électronique de puissance, dans l’empilement des dispositifs. La polarisation du ferroélectrique crée un champ électrique qui va moduler les bandes de conduction et de valence du Ga2O3 et GaN et ainsi les caractéristiques des dispositifs tels que les diodes de Schottky, des transistors en déplétion et des HEMTs à haute fréquence. Notre hypothèse est de contrôler les bandes électroniques de Ga2O3 et de GaN par la couche adjacente de AlBN.

Nous explorerons la chimie et la structure électronique de interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN, ciblant les phénomènes clés d’écrantage de la polarisation, piégeage/dépiégeage de charge et les champs internes. Le projet emploiera des techniques avancées de la spectroscopie de photoélectrons telles que la photoémission à rayons X durs stimulée par le rayonnement synchrotron, la microscopie d’électrons en photoémission et de l’analyse structurelle complémentaire comme la microscopie électronique à haute résolution, la diffraction des rayons X et la microscopie en champ proche.

Les résultats devraient intéresser aussi bien des physiciens étudiant des aspects fondamentaux de la fonctionnalité des hétérostructures artificielles que des ingénieurs travaillant dans les applications R et D de l’électronique de puissance.

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Commercial aviation accounts for about 2.5% total world CO2 emissions (1bT). A true, long-term, clean perspective eliminating a significant part of CO2 emissions is electric. One viable solution could be the hybrid airplane in which gas turbines are used for take-off and landing and in-flight cruising is electrically powered. Such a solution requires high voltage components. Fundamental research is required to optimize materials for integration into electronic components, capable of sustaining these power ratings.

The original idea of the Ferro4Power proposal is to increase the range of applications of Ga2O3 and GaN based devices by introducing a high breakdown, power electronics compatible, ferroelectric layer into the device stack. The up or down polarization state of the ferroelectric layer will provide an electric field capable of modulating the Ga2O3 and GaN valence and conduction bands, and hence the properties of possible devices, such as Schottky diodes (SBD), hybrid depletion mode transistors for Ga2O3 and high frequency HEMTs for GaN. Our hypothesis is to control the electronic bands of Ga2O3 and GaN using an adjacent AlBN.

We will explore the chemistry and electronic structure of AlBN/Ga2O3 and AlBN/GaN interfaces, focusing on the key phenomena of polarization screening, charge trapping/dissipation, internal fields. The project will use advanced photoelectron spectroscopy techniques including synchrotron radiation induced Hard X-ray photoelectron spectroscopy and Photoemission electron microscopy as well as complementary structural analysis including high-resolution electron microscopy, X-ray diffraction and near field microscopy.

The results should therefore be of interest to both physicists studying fundamental aspects of functionality in artificial heterostructures and engineers working in R & D applications of power electronics.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Laboratoire d’Etude des NanoStructures et Imagerie de Surface
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : Barrett Nicholas
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/LENSIS
URL : https://iramis.cea.fr/pisp/nick-barrett-2/
URL : https://iramis.cea.fr/en/spec/lensis/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé

M2 physique ou nanosciences