# Fabrication et caractérisation de diodes Schottky GaN dans un TP innovant au sein du PLFM de Lille

Mahmoud ABOU DAHER, M Laddada, I Nhaila, Saliha Ouendi, Yannick Roelens, Virginie Hoel

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Mahmoud ABOU DAHER, M Laddada, I Nhaila, Saliha Ouendi, Yannick Roelens, et al., Fabrication et caractérisation de diodes Schottky GaN dans un TP innovant au sein du PLFM de Lille. Dix-huitièmes journées Pédagogiques CNFM, JPCNFM 2025, Pôle CNFM de Rennes, Centre Commun de Microélectronique de l'Ouest, Dec 2025, Saint-Malo, France. hal-05400823

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Submitted on 5 Dec 2025

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# Fabrication et caractérisation de diodes Schottky GaN dans un TP innovant au sein du PLFM de Lille

M. Abou Daherª, M. Laddadaª, I. Nhailaª, S. Ouendiª, Y. Roelensª et V. Hoelª

ª IEMN et pôle CNFM de Lille (PLFM), Université de Lille, Villeneuve d'Ascq, France

Contact email : mahmoud.abou-daher@univ-lille.fr

Cet article présente la mise en place d'un Travail Pratique (TP) innovant au sein du Pôle CNFM de Lille (PLFM) au sein de l'université Lille. Il est destiné aux étudiants de Master 2 en Nanosciences et Nanotechnologies (Université de Lille). L'objectif est double : d'une part, initier les étudiants à la fabrication et à la caractérisation de dispositifs à base de nitrure de gallium (GaN), matériau clé pour l'électronique de puissance et de haute fréquence ; d'autre part, développer une démarche pédagogique permettant d'intégrer les concepts théoriques de la physique des semi-conducteurs et de les mettre en pratique au travers d'activités expérimentales concrètes. Le dispositif étudié est une diode Schottky réalisée sur une hétérostructure GaN multi-couches déposée sur substrat saphir. Après une description de l'échantillon et du rôle fonctionnel de chaque couche, nous détaillons les principales étapes technologiques et présentons les résultats de caractérisation électrique obtenus. L'approche permet de valoriser les ressources du CNFM et d'accompagner les étudiants dans l'acquisition de compétences transversales allant de la microfabrication à l'analyse critique de résultats expérimentaux.

## I. Introduction

Le nitrure de gallium (GaN) s'impose aujourd'hui comme un matériau de référence dans le domaine de l'électronique de puissance et des dispositifs RF grâce à ses propriétés physiques remarquables : large bande interdite (3,4 eV), haute mobilité des électrons et champ électrique critique élevé (1-2).

Dans le cadre de la formation des étudiants de Master 2 NN (Nanoscience Nanotechnologies) de l'Université de Lille, nous avons développé un TP innovant visant à réaliser et à caractériser des diodes Schottky à base de GaN. Ce dispositif pédagogique permet non seulement d'aborder les notions fondamentales de la jonction métal-semi-conducteur, mais aussi d'introduire les spécificités technologiques liées à la microfabrication sur des couches GaN.

Ce TP s'appuie sur les ressources du PLFM de Lille, incluant la salle blanche, les équipements de gravure, d'évaporation métallique et de caractérisation électrique.

## II. Objectifs pédagogiques et compétences développées

L'enseignement de la microélectronique dans le domaine des semi-conducteurs avancés reste souvent théorique. L'introduction d'un TP complet sur le GaN répond à plusieurs objectifs :

- Pédagogiques : permettre aux étudiants de relier directement leurs connaissances en physique des dispositifs à la réalité expérimentale ;

- Scientifiques : montrer les spécificités de la technologie GaN par rapport à d'autres matériaux semiconducteur comme le silicium par exemple ;
- Pratiques : initier aux étapes de microfabrication (lithographie, dépôt, métallisation, gravure) et à la mesure expérimentale;

- Transversaux : développer la capacité à analyser des résultats expérimentaux, à travailler en équipe et à rédiger un rapport scientifique.

Dans le cadre de ce travail, les compétences spécifiques développées par les étudiants au cours de ce TP incluent comme suit :

- La manipulation de masques et l'utilisation de résines photosensibles adaptées au dépôt métallique ou bien à la gravure.

- La réalisation de gravures par plasma inductif, avec contrôle de la profondeur gravée au profilomètre.

- Le dépôt métallique de précision pour la réalisation des contacts Schottky (Pt/Au) et ohmiques (Ti/Al/Ni/Au).

- L'interprétation des mesures expérimentales et leur confrontation aux modèles théoriques.

- Le travail collaboratif et la résolution de problèmes en conditions réelles de salle blanche.

### III. Fabrication de la diode Schottky

#### A. Description de l'échantillon et rôle des couches

L'échantillon de base utilisé pour la fabrication des diodes Schottky repose sur une hétérostructure GaN déposée par épitaxie sur un substrat de saphir. La structure est représentée en Figure 1. Chaque couche joue un rôle bien précis dans le fonctionnement final de la diode :

- Substrat en saphir (Al<sub>0,1</sub>O<sub>0,9</sub>) : il sert de support mécanique et constitue le substrat de référence pour l'épitaxie du GaN. Malgré un désaccord de maille cristalline important, il est largement utilisé en raison de son faible coût et de l'absence historique de substrats massifs en GaN. Bien que des alternatives existent aujourd'hui (SiC, Si, substrats GaN), la maîtrise technologique de l'épitaxie sur saphir, sa robustesse et son coût modéré en font un support particulièrement adapté à l'enseignement.

- Couche d'adaptation en GaN non dopée : elle permet de compenser le désaccord de maille entre le saphir et les couches actives GaN, améliorant la qualité cristalline et réduisant les dislocations dans les parties semiconductrices actives.

- Couche de GaN fortement dopée n<sub>0,1</sub>O<sub>0,9</sub> : elle assure une bonne conduction ohmique au niveau des contacts inférieurs, facilitant l'injection de porteurs.

- Couche de GaN faiblement dopée n<sub>0,01</sub>O<sub>0,99</sub> : elle constitue la région active où sera formée la barrière Schottky entre le métal et le semiconducteur. Son faible dopage permet d'obtenir une large zone de déplétion, favorable au blocage en polarisation inverse et aux applications en électronique de puissance.

Deux types de contacts métalliques sont déposés :

- Contact ohmique (Ti/Al/Ni/Au) sur la couche n<sub>0,1</sub>O<sub>0,9</sub>, afin d'injecter efficacement les porteurs avec une faible résistance série.

- Contact Schottky (Pt/Au) sur la couche n<sub>0,99</sub>O<sub>0,1</sub>, créant la barrière Schottky qui gouverne le comportement redresseur de la diode.

Cette architecture illustre bien l'approche pédagogique de ce TP : relier les principes théoriques de la physique des semi-conducteurs à leur mise en œuvre pratique en salle blanche.
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1. Schéma de la structure de la diode Schottky GaN avant et après métallisation</figcaption></figure>

## B. Étapes technologiques

La fabrication des diodes Schottky est réalisée par une séquence simplifiée mais représentative des procédés usuels de microfabrication. Un masque optique a été réalisé, destiné à définir par photolithographie les motifs (Marque d'alignements, contacts Schottky des diode circulaire, gravure de la couche n- et les contacts ohmiques). En premier lieu, le substrat saphir a été nettoyé afin d'éliminer les contaminants. Le process de fabrication peut être divisé en trois grandes étapes :

### Etape 1 : Contact Schottky

Une première étape de photolithographie a été réalisée afin de définir les zones de métallisation correspondant au contact Schottky et aux marques d'alignement. Un traitement à l'HMDS a été appliqué pour améliorer l'adhérence de la résine sur le substrat. Une résine positive adaptée au procédé de lift-off (ARP-5320) d'une épaisseur d'environ 1,8 µm, soit trois fois l'épaisseur prévue de la métallisation, a ensuite été déposée par centrifugation. Les motifs du contact Schottky et des marques d'alignement ont été définis à l'aide d'un masque optique positif et d'une exposition aux UV en mode hard contact. Après exposition, le développement a été effectué dans la solution révélatrice AR 300-26/EDI (3/2), suivi d'un rinçage à l'eau déionisée. L'uniformité et l'épaisseur de la résine ont été contrôlées au profilomètre. La Figure 2 illustre l'ensemble du processus de fabrication du contact Schottky.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2. Processus de fabrication du contact schottky</figcaption></figure>

La métallisation a été réalisée par évaporation sous faisceau d'électrons, un procédé permettant un dépôt directionnel et uniforme des couches métalliques. Une première couche de platine (Pt, 30 nm) a été déposée afin de former la jonction Schottky avec le GaN. Le platine, dont la fonction de travail élevée (≈ 5,65 eV) favorise la création d'une barrière de potentiel importante, permet ainsi de limiter le courant de fuite en régime inverse. Une seconde couche d'or (Au, 300 nm) a ensuite été déposée afin de protéger le platine contre l'oxydation et d'améliorer la conductivité électrique du plot de grille. Cette surcouche facilite également la prise de contact électrique lors des mesures ultérieures et assure une bonne stabilité chimique de la métallisation. Enfin, le procédé de lift-off a été effectué pour éliminer la résine et l'excédent de métal, à l'aide du solvant SVC-14 chauffé, afin d'obtenir des motifs correspondant aux zones de contact Schottky et aux marques d'alignement.
## Etape 2 : Gravure sèche de la couche de GaN faiblement dopée (n--)

L'objectif de cette étape est de retirer sélectivement la couche de GaN faiblement dopée (n--) afin d'exposer la couche de GaN fortement dopée (n++), sur laquelle seront déposés les contacts ohmiques. Pour cela, une gravure sèche assistée par plasma inductif (ICP - Inductively Coupled Plasma) a été employée, choisie pour sa capacité à fournir une gravure anisotrope, précise et reproductible, adaptée aux structures à base de GaN. Avant la gravure, un traitement à l'HMDS a été appliqué sur l'échantillon pour améliorer l'adhérence de la résine. Une résine négative AZnLOF 2020 a ensuite été déposée par centrifugation sur une épaisseur de 4 µm, puis recuite à 110 °C pendant 90 secondes afin de stabiliser le film avant exposition. Cette épaisseur garantit une protection suffisante pendant la gravure, la vitesse de gravure de la résine (≈70 nm/min) étant inférieure à celle du GaN (≈100 nm/min), assurant ainsi une sélectivité favorable.

Le masque optique a été aligné avec précision à l'aide des marques d'alignement formées lors de l'étape du contact Schottky, puis exposé aux UV en mode hard contact pour garantir une résolution optimale des motifs. Un recuit post-exposition à 110 °C pendant 60 secondes a permis d'activer la polymérisation de la résine, suivi du développement dans la solution révélatrice AZ 326 MIF et d'un rinçage à l'eau déionisée. L'uniformité et l'épaisseur du motif ont été vérifiées au profilomètre afin d'assurer la reproductibilité du procédé.

La gravure du GaN faiblement dopé a été effectuée dans un réacteur ICP utilisant un mélange gazeux de chlore (Cl₂) et d'argon (Ar). Le chlore agit comme gaz réactif, formant des composés volatils tels que GaCl₃ et NCl₃ à la surface du GaN, tandis que l'argon favorise le bombardement ionique, améliorant la verticalité et la précision des profils gravés. Les paramètres de gravure retenus (puissance RIE de 35 W, puissance ICP de 100 W, pression de 10 mTorr, flux Ar de 30 sccm et flux Cl₂ de 10 sccm) ont permis d'obtenir une gravure uniforme, anisotrope et reproductible, tout en préservant une bonne sélectivité entre le GaN et la résine. Enfin, la résine résiduelle a été retirée par immersion dans le solvant SVC-14 chauffé à 70 °C, suivi d'un nettoyage ultrasonique dans l'acétone. La Figure 3 illustre le schéma du processus de gravure sèche du GaN (n--), et la Figure 4 présente l'échantillon après cette étape.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3. Processus de gravure</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4. L'échantillon après la révélation</figcaption></figure>

## Etape 3 : Contact ohmique
Le dépôt des contacts ohmiques a été réalisé par évaporation sur la couche de GaN fortement dopée (n++). Une résine positive ARP 5320, définie par photolithographie, a servi de masque pour le lift-off. L'épaisseur de la résine a été fixée à 1,8 µm, soit environ trois fois celle de l'empilement métallique Ti/Al/Ni/Au (0,5 µm), afin de faciliter le lift-off. Une fine couche de titane a été déposée en premier sur le GaN. Le titane réagit chimiquement avec la surface du GaN, formant une interface riche en porteurs libres qui favorise le passage des électrons par effet tunnel, tout en dissolvant l'oxyde natif et en améliorant l'adhérence de la métallisation. Le titane est suivi par une couche d'aluminium, qui abaisse la résistivité spécifique du contact. L'aluminium empêche également l'oxydation du titane par la formation d'intermétalliques de type Al₃Ti lors du recuit. Une couche de nickel est ensuite déposée pour servir de barrière de diffusion, empêchant la migration de l'aluminium vers les couches supérieures. Enfin, une couche d'or assure une excellente conductivité et protège l'ensemble contre l'oxydation, garantissant ainsi une bonne stabilité chimique et électrique.

Après métallisation, l'excédent de métal est retiré par lift-off dans le solvant SVC-14 chauffé à 100 °C, suivi d'un nettoyage ultrasonique dans l'acétone. Cette étape permet d'obtenir des motifs métalliques précis et reproductibles. La Figure 5 illustre le processus complet de fabrication des contacts ohmiques.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5. Processus de fabrication de contact ohmique</figcaption></figure>

Après métallisation un recuit thermique rapide (RTA) à 600 °C est appliqué afin de former les contacts ohmiques par diffusion interfaciale du Ti et de l'Al et la formation de phases conductrices qui abaissent la résistivité spécifique tout en améliorant les contacts Schottky et la qualité de l'interface métal/semiconducteur en stabilisant la barrière et réduisant le courant de fuite pour obtenir ainsi des dispositifs plus fiables et reproductibles.

### C. Résultats de caractérisation

La dernière étape du TP consiste à caractériser électriquement les diodes fabriquées. Les étudiants commencent par utiliser la méthode TLM pour évaluer la qualité des contacts ohmiques, puis mesurent la caractéristique courant-tension (I-V) ainsi que le courant de fuite.

La figure 6 montre la caractéristique I-V d'une diode de 140µm de diamètre. Les résultats obtenus sont représentatifs, plusieurs mesures ayant été effectuées sur des diodes de même diamètre. Les étudiants peuvent ainsi observer l'effet du recuit : après traitement thermique, la tension de claquage se stabilise autour de -70 V, avec un courant de fuite limité à 13 mA. En analysant les courants de fuite, ils comprennent que ces derniers peuvent provenir de défauts cristallins ou de contaminants présents sur les bords du mesa. Cela souligne l'importance d'optimiser les étapes de gravure et de métallisation pour garantir des interfaces de qualité. À partir des mesures TLM, les étudiants ont extrait les paramètres électriques des contacts de diodes. Ils ont déterminé la résistivité du contact métal (5×10⁻¹² Ω·cm²) et la résistance de contact (0,1 Ω·mm). La diode présente également une tension de seuil d'environ 0,5 V, Rs de 20 Ω et fᵢ₄ de 0,76 eV. Ces résultats présentent un intérêt pédagogique majeur. Ils permettent aux étudiants d'extraire les paramètres électriques clés des diodes, tels que la résistivité et la résistance de contact, la tension de seuil et le courant de fuite et de les relier directement à la qualité des interfaces métal/semiconducteur. L'exploitation des mesures met en évidence l'influence des étapes technologiques
(métallisation, gravure de la mesa, recuit) sur les performances du composant. L'analyse du courant de fuite offre un support critique pour discuter des mécanismes de conduction indésirable et des causes possibles de défauts (contaminants, irrégularités de gravure, défauts cristallins). Ce TP conduit ainsi les étudiants à maîtriser la caractérisation I-V et à comprendre le lien étroit entre procédés technologiques et comportement électrique des dispositifs.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6. I(V) de la diode Schottky GaN avant et après RTA à 600 °C</figcaption></figure>

## IV. Conclusion

La mise en place de ce TP sur les diodes Schottky en GaN constitue une innovation pédagogique significative au sein du PLFM de Lille. Elle permet aux étudiants de mettre en pratique des concepts théoriques avancés, tout en découvrant les spécificités technologiques d'un matériau émergent. Cette démarche illustre la complémentarité entre recherche, enseignement et formation pratique, dans le cadre des actions soutenues par le CNFM.

## Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier le GIP-CNFM, ainsi que la DGESIP pour leur soutien constant aux activités de formation en microélectronique. Ce travail a également bénéficié des ressources du pôle CNFM de Lille, qui ont permis la mise en œuvre des séances pratiques décrites dans cet article. Une partie de ce TP a été réalisée dans le cadre du projet INFORISM, cofinancé par le programme France 2030.

## Références

1. K. H. Teo, Y. Zhang, N. Chowdhury, S. Rakheja, R. Ma, Q. Xie and T. Palacios, J. Appl. Phys., vol. 130, pp. 160902, 2021.

2. B. Orfao, M. Abou Daher, R. A. Peña, B. G. Vasallo, S. Pérez, I. Íñiguez-de-la-Torre, G. Paz-Martínez, J. Mateos, Y. Roelens, M. Zaknoune, T. González, J. Appl. Phys. 7 January 2024; 135 (1): 014501.