High power diamond Schottky diode

par Aboulaye Traoré

Thèse de doctorat en Nano électronique et nano technologies

Sous la direction de Julien Pernot et de Etienne Gheeraert.

Le président du jury était Christoph E. Nebel.

Le jury était composé de Julien Pernot, Etienne Gheeraert, Satoshi Koizumi, José Alvarez, David Eon.

Les rapporteurs étaient Christian Brylinski, Jocelyn Achard.

  • Titre traduit

    Diode Schottky haute puissance sur substrat diamant


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la fabrication de diodes Schottky sur diamant pour des applications hautes puissances. La croissance du diamant et son dopage sont aujourd'hui bien maîtrisés. La passivation de la surface du diamant (surface à terminaison oxygène) requise pour minimiser les états d'interface et obtenir des contacts redresseurs sur diamant, est également bien maîtrisé. L'apparition des architectures verticales (couche active des diodes épitaxiée sur un substrat de diamant fortement dopée) et pseudo-vertical (épitaxie d'un empilement comprenant la couche active et une couche fortement dopée sur un substrat diamant isolant) ont permis de minimiser la résistance série élevée des diodes sur diamant (énergie d'ionisation élevée des principaux dopants du diamant). Malgré le fait que ces configurations géométriques favorisent courants directs élevés, les performances diodes Schottky verticales ou pseudo verticales sur diamant sont à ce jour limitées par: i) la qualité de la couche active altérée par la propagation de défauts issues de la couche fortement dopée conduisant à de faible champ critiques (environ 3 MV / cm au lieu des 10MV/cm théorique), ii) les contacts Schottky sélectionnés, la stabilité thermique et chimique des interfaces formées avec une surface de diamant à terminaison oxygène. La sélection du métal Schottky et le prétraitement de la surface sont cruciaux pour obtenir de faibles hauteurs barrières (faible chute de tension à l'état passant), une faible densité de défauts au niveau des interfaces (faible courants de fuite), et une interface thermiquement stable (température de fonctionnement élevée). Dans cette thèse, nous avons démontré qu'une diode Schottky diamant pseudo verticale basée sur l'utilisation d'une surface à terminaison oxygène couverte par un métal facilement oxydable comme le zirconium (Zr), et une couche fortement dopée avec une épaisseur optimale, permettent de surmonter ces limitations et de fabriquer des diodes de meilleurs performances que l'état de l'art actuel. Un compromis entre l'épaisseur de la couche fortement dopée et son niveau de dopage à été d'abord établit afin de minimiser la génération de défauts et par conséquent d'améliorer la qualité de la couche active. Le métal (Zr) sélectionné comme contact Schottky donnait lieu à la formation d'une fine couche d'oxyde de zirconium thermiquement stable entre le Zr et le diamant. Les redresseurs fabriqués avaient: une forte densité de courant direct (1000 A par centimètre carré à 6 V), un champ critique supérieur à 7.7 MV /cm (tension de blocage 1000 V avec un courant de fuite inférieur à 1 pA), un facteur de mérite de Baliga supérieur à 244 MW par centimètre carré (la valeur la plus élevée signalée), une bonne reproductibilité indépendamment de la taille des diodes et des échantillons, la possibilité d'obtenir une hauteur de barrière inférieure à 1 eV après recuit, et une stabilité thermique supérieure à 500 ° C.


  • Résumé

    This thesis was focused on high power diamond Schottky diodes fabrication. Diamond growth and its doping are today well mastered. The advent of vertical architectures (diode active layer grown on heavily doped diamond substrate) and pseudo-vertical (stack of diode active layer and heavily doped layer grown on insulating substrate) allowed minimizing the high serial resistance, which was induced by the high ionization energy of acceptor-type dopants (boron doped diamond) preferably used in rectifiers fabrications.Besides these geometrical configurations favoring high forward currents, diamond Schottky diodes (pseudo vertical or vertical structures) were limited by: I) the quality of diode active layer altered by defects propagation from heavily doped layer thus leading to lower blocking voltage (maximum critical field of 3 MV/cm reported) than the theoretical values (theoretical values of critical field of 10 MV/cm), II) Schottky electrodes selected and the thermal and chemical stability of interfaces formed with oxygen-terminated diamond surface (required getting a Schottky contact and reducing as much as possible the interface states). Schottky metal selection and diamond surface pretreatment are crucial to get low barrier heights (low forward voltage drop and so low losses), low defects density at interfaces (low leakage current), and a thermally stable interface (high operating temperature). In this thesis, we demonstrated that a pseudo vertical diamond Schottky diode based on an oxygen-terminated surface covered by an easily oxidizable metal like zirconium (Zr) combined with an optimal heavily doped layer, allows overcoming these limitations. We first found a trade-off between the thickness of heavily doped layer and its doping level in order to minimize defects generations and thus improve the quality of diode active layer grown on the heavily doped layer (Less defects propagations). On a second hand, the Zr metallic electrodes selected gave rise to a thin zirconia interface layer which was thermally stable thus preventing the oxygen layer desorption. Zr/oxidized diamond rectifiers exhibited better features than the current state of art: a high forward current density (1000 A/cm2 at 6 V), a high critical field above 7 MV/cm (1000 V blocking voltage with a leakage current less than 1 pA), a Baliga's power figure of merit above 244 MW/cm2 (the highest value reported), a good reproducibility regardless of diodes and samples, the possibility to get a barrier heights below 1 eV by annealing, and a thermal stability higher than 500°C.


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