Addition of Ge to the H-Si-C chemical system during SiC epitaxy

par Kassem Alassaad

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Gabriel Ferro et de Véronique Soulière.

Soutenue le 03-11-2014

à Lyon 1 , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Brylinski.

Le jury était composé de Hervé Peyre.

Les rapporteurs étaient Didier Chaussende, Anne Henry.

  • Titre traduit

    Addition de Ge dans le système chimique H-Si-C durant l'épitaxie de SiC


  • Résumé

    Ce travail concerne l'ajout de GeH4 au système de précurseurs gazeux classique SiH4+C3H8 pour la croissance épitaxiale de SiC par dépôt chimique en phase vapeur. L'objectif principal était d'explorer l'influence de la présence de l'élément Ge (impureté isoélectronique à SiC), dans la matrice SiC ou à sa surface, sur les mécanismes de croissance et sur la qualité et les propriétés des couches minces déposées. La croissance épitaxiale a été réalisée dans la gamme de température 1450-1600°C sur des substrats 4H-SiC(0001) désorientés fortement (4° et 8°) ou faiblement (0° et 1°). Sur les germes désorientés, nous avons exploré l'impact des atomes de Ge sur la qualité des couches homoépitaxiales, d'un point de vue morphologique et structural. Les mécanismes d'incorporation de cette impureté ont été étudiés en fonctions des paramètres de croissance. Il a été montré que l'incorporation de cet élément peut être contrôlée dans la gamme 1x1016 - 7x1018 at.cm-3. De plus, cette incorporation de Ge s'accompagne d'une augmentation du dopage de type n. Les caractérisations électriques de ces couches montrent une amélioration de la mobilité et de la conductivité électrique du matériau 4H-SiC sans aucun impact négatif sur les caractéristiques de contact Schottky. Sur les substrats faiblement désorientés, GeH4 a été ajouté à la phase gazeuse uniquement pendant l'étape de préparation de la surface, c’est-à-dire avant d'initier la croissance de SiC. Il a été montré que des couches hétéroépitaxiales de 3C-SiC exemptes de macles peuvent être déposées dans une fenêtre de conditions expérimentales (température et flux de GeH4). Un mécanisme permettant l'élimination des macles a été proposé. Il implique une étape transitoire de croissance homoépitaxiale, favorisée par la présence de Ge liquide à la surface, suivie de la nucléation de 3C-SiC sur les larges terrasses résultant du facettage des marches. Ces couches de 3C-SiC ont été caractérisées électriquement par microscopie à force atomique en mode conduction


  • Résumé

    In this work, addition of GeH4 gas to the classical SiH4+C3H8 precursor system is reported for the epitaxial growth of SiC by chemical vapor deposition. The main objective of this fundamental study is to explore the influence of Ge presence within SiC lattice or at its surface on the overall growth mechanism and the grown layer quality and properties. Epitaxial growth was performed either on high off axis (8 and 4°) or low off-axis (1° and on-axis) 4H-SiC substrate in the temperature range 1450-1600°C. On high off-axis seeds, we discussed the impact of Ge atoms on the homoepitaxial layer quality from surface morphological and structural point of view. Ge incorporation mechanism in these layers as a function of growth parameters was also investigated. The Ge incorporation can be controlled from 1x1016 - 7x1018 at.cm-3. Moreover, a clear link between n-type doping and Ge incorporation was found. Electrical characterizations of these layers show an improvement of electron mobility and conductivity of 4H-SiC material while the performances of Schottky contacts were not negatively impacted. On low off-axis seeds, GeH4 was added to the gas phase only during the surface preparation step, i.e. before starting the SiC growth. It was found that there is a conditions window (temperature and GeH4 flux) for which heteroepitaxial 3C-SiC twin free layers can be grown. Interpretation of the results allowed proposing a mechanism leading to twin boundary elimination. It involves a transient homoepitaxial growth step, favored by the presence of liquid Ge at the surface, followed by 3C nucleation when large terraces are formed by step faceting. Electrical characteristics of the twin free 3C-SiC layers were studied using conductive atomic force microscopy (c-AFM)


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