Les semi-conducteurs à bande interdite ultra-large (UWBG), tels que le diamant, l’AlN et le Ga₂O₃, apparaissent aujourd’hui comme des candidats prometteurs pour dépasser les limites des technologies actuelles d’électronique de puissance basées sur le SiC et le GaN. Parmi eux, le Ga₂O₃ suscite un intérêt particulier grâce à son énergie de bande interdite de 4,9 eV, son champ électrique de claquage élevé (> 8 MV/cm) et sa figure de mérite de Baliga particulièrement importante. La croissance du Ga₂O₃ par dépôt par couches atomiques (ALD) et par épitaxie par jets moléculaires (MBE) reste largement inexplorée et offre des perspectives intéressantes. D’une part, l’ALD, méthode de croissance auto-limitée, permet un contrôle de l’épaisseur à l’échelle sub-nanométrique ainsi qu’une excellente conformité sur des surfaces planes ou à fort rapport d’aspect. Cette technique est particulièrement adaptée à la réalisation de couches ultra-minces et à l’ingénierie des interfaces, tout en utilisant un faible budget thermique. D’autre part, la MBE offre une croissance hautement contrôlée sous ultravide, permettant d’obtenir des interfaces abruptes, un contrôle précis de la composition et du dopage, ainsi qu’un suivi in situ des mécanismes de croissance. Elle est donc particulièrement adaptée à la réalisation d’hétérostructures. Cette thèse contribue au développement de dispositifs électroniques de puissance à base de Ga₂O₃ à travers l’étude du dépôt de couches minces par ALD et par MBE. Des procédés de croissance ont été développés et optimisés pour ces deux techniques afin d’améliorer la qualité cristalline des couches obtenues.

Dans un premier temps, un procédé ALD utilisant le TEGa et l’O₃ a été développé. Celui-ci permet d’obtenir un taux de croissance de 0,42 ± 0,02 Å/cycle, avec une fenêtre ALD comprise entre 250 et 400 °C. La croissance de couches minces épitaxiales de κ-Ga₂O₃ (001) de haute qualité cristalline sur saphir plan c a ensuite été démontrée pour des épaisseurs ultra-minces (< 20 nm). Les relations d’épitaxie entre la couche et le substrat ont été établies comme suit : [001] κ-Ga₂O₃ || [0001] α-Al₂O₃, [010] κ-Ga₂O₃ || [10-10] α-Al₂O₃ et [100] κ-Ga₂O₃ || [11-20] α-Al₂O₃. Les mécanismes de croissance responsables de la formation de la phase métastable κ-Ga₂O₃ sont discutés. L’effet de l’augmentation de l’épaisseur sur la structure cristalline des couches a ensuite été étudié en augmentant le nombre de cycles ALD. Enfin, les couches déposées ont été recuites thermiquement, conduisant à une transition de phase vers le β-Ga₂O₃ orienté selon (-201).

Dans le cadre de l’évaluation de la faisabilité d’une hétérojonction AlN/Ga₂O₃, nous avons étudié la croissance de l’AlN sur le Ga₂O₃ par MBE. La nucléation d’AlN de polarité Al a été optimisée en conditions riches en azote, permettant d’obtenir des couches de haute qualité avec une transition nette entre les structures monoclinique et wurtzite. Les relations d’épitaxie ont été établies comme suit : [0001] AlN ⟂ (-201) β-Ga₂O₃ et [2-1-10] AlN || [020] β-Ga₂O₃. L’interface est constituée de deux monocouches d’AlGaN. La croissance, plus délicate, du Ga₂O₃ sur l’AlN par MBE a ensuite été étudiée. La croissance de β-Ga₂O₃ monophasé orienté selon (-201) a été obtenue pour des températures supérieures à 630 °C, les meilleures propriétés structurales étant obtenues pour des flux de gallium relativement faibles. La relation d’épitaxie a été établie comme suit : [020] β-Ga₂O₃ || <11-20> AlN, avec trois domaines de rotation. Comme dans le cas de la croissance de l’AlN sur le β-Ga₂O₃, l’interface est cristallographiquement nette, mais comporte deux monocouches d’AlGaN.

Ces résultats démontrent le potentiel de l’ALD et de la MBE comme techniques de croissance pour les futurs dispositifs d’électronique de puissance à bande interdite ultra-large. Ils constituent également une étape importante vers l’intégration du Ga₂O₃ dans des hétérostructures avancées

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