Metal-oxide-semiconductor capacitor for diamond transistor : simulation, fabrication and electrical analysis

par Aurélien Maréchal

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Etienne Gheeraert, Nicolas Rouger et de Julien Pernot.

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Etienne Gheeraert, Nicolas Rouger, Julien Pernot, Philippe Godignon, Tanya Trajkovic.

Les rapporteurs étaient Philippe Bergonzo, Dominique Planson.

  • Titre traduit

    Capacité métal-oxyde-semiconducteur pour le transistor en diamant : simulation, fabrication et caractérisation électrique


  • Résumé

    Plus de deux décennies de progrès technologiques dans le contrôle de la qualité de la croissance, du dopage et dans la conception de composants ont conduit à l'émergence de nouvelles potentialités pour des applications d'électronique de puissance. Comme le diamant représente le semi-conducteur ultime en raison de ses propriétés physiques supérieures, des efforts ont été réalisés pour développer divers dispositifs électroniques, tels que des diodes Schottky, des transistors à effet de champ (MOSFET), transistor bipolaire, jonctions pin ...Le développement d'outils de simulation capables d'anticiper les propriétés électriques des dispositifs électroniques ainsi que leur architecture pour profiter pleinement des propriétés physiques du diamant est une condition préalable à la mise au point de nouveaux composants de puissance. D'autre part, l'étude expérimentale du contact de grille, la deuxième brique élémentaire du transistor, est fondamentale en vue de développer des dispositifs de haute performance. À cet égard, on peut considérer plusieurs questions ouvertes: (i) Les outils de simulation sont-ils capables de prendre en compte les spécificités du diamant pour modéliser les composants électroniques? (ii) L'oxyde d'aluminium est-il approprié pour développer un contact de grille de transistor? (iii) Si oui, l'interface oxyde/diamant est-elle d'assez bonne qualité? (iv) La fabrication d'un MOSFET en diamant est-elle un obstacle technologique?Ce projet de doctorat, vise à répondre à ces questions et à ouvrir la voie vers la réalisation du MOSFET à canal d'inversion.Les propriétés physiques du diamant seront soulignées et aideront à comprendre pourquoi ce matériau est le semi-conducteur ultime. L'état de l'art des dispositifs en diamant sera présenté en se concentrant sur des transistors à effet de champ. L'anticipation des propriétés électriques et de l'architecture grâce à des logiciels de simulation basés sur la méthode des éléments finis constitue un sujet complémentaire. Ainsi, le besoin d'outils de simulation fiables sera présenté.D'une part, les principaux modèles mis en œuvre dans les outils de simulation seront présentés en insistant sur les propriétés électriques du diamant. Pour la simulation du MOSFET diamant, l'étude de deux briques élémentaires est nécessaire: la jonction pn et le contact de grille. Les propriétés idéales de la grille seront présentées tandis que la jonction pn servira de base pour le calibrage des paramètres physiques mises en œuvre dans le logiciel de simulation. L'influence des modèles de génération-recombinaison sur les propriétés électriques simulée de jonction pn sera discutée. Enfin, la simulation des propriétés électriques d'un MOSFET en diamant sera présentée.D'autre part, l'accent sera mis sur la fabrication et la caractérisation électrique du condensateur diamant métal-oxyde-semi-conducteur (MOSCAP). Plus précisément, le raccordement des bandes à l'interface Al2O3/diamant à terminaison oxygène (O-diamant) a été étudiée en utilisant la méthode de spectroscopie photoélectronique à rayons X. Les résultats ont permis l'établissement du diagramme de bande de l'hétérostructure Al2O3/O-diamant et démontre que l'Al2O3 est utilisable en tant qu'oxyde de grille. Ensuite, l'étude de la densité des états d'interface a révélé l'ancrage du niveau de Fermi à l'interface entre l'Al2O3 et le diamant. En outre, les courants de fuite à travers la couche d'Al2O3 seront discutés en termes d'effet tunnel assisté par pièges de trous de la couche de diamant au contact de grille. Enfin, la caractérisation électrique du premier MOSFET en diamant, effectuée au National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST) au Japon, sera présentée. Cette première tentative s'est révélée infructueuse. Néanmoins, les résultats sont très prometteurs pour le développement de diamant MOSFET étant donné que la démonstration de la réalisation du composant est clairement établie.


  • Résumé

    Over two decades of technological progresses in growth quality, doping control and device processing have led to the emergence of new potentialities for power electronic applications. As diamond represents the ultimate semiconductor owing to its superior physical properties, efforts have been conducted to develop various electronic devices, such as Schottky diodes, field effect transistors, bipolar transistor, p-i-n junctions...As a prerequisite to the development of new generation diamond power devices, on one side, is the development of simulation tools able to anticipate the device electrical properties as well as its architecture in order to take full advantage of the material physical properties. On the other hand, experimental study of the gate contact, the second building block of the transistor, is fundamental in order to develop high performance devices. In this regard, one can consider several open questions: (i) Are the simulation tools able to take into account the specificities of diamond to model electrical devices? (ii) Is the aluminum oxide suitable to develop a MOSFET gate contact? (iii) If so, is the oxide/diamond interface of good enough quality? (iv) Is the fabrication of a diamond MOSFET a technological issue?This PhD project, attend to answer these questions and pave the way towards the inversion mode MOSFET.Emphasize on the diamond physical properties will help to understand why this material is the ultimate WBG semiconductor. State of the art diamond devices will be presented focusing on field effect transistors. A complementary topic for the development of new generation diamond power device is the anticipation of device electrical properties and architecture through finite element base simulation software. Thus the need for reliable simulation tools will be presented.On one hand, the main models implemented in the simulation tools will be presented and emphasize on the diamond electrical properties will be given. For the simulation of diamond metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET), the study of two building blocks is required: the p-n junction and the gate contact. The later ideal properties will be presented while the former will serve as a basis for the calibration of the physical parameters implemented in the finite element based software. Generation-recombination models influence on the simulated p-n junction electrical properties will be discussed. Finally, the simulation of the electrical properties of a diamond metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) will be shown.On the other hand, focus will be made on diamond metal-oxide-semiconductor capacitor (MOSCAP) fabrication and electrical characterization. Specifically, the interfacial band configuration of the Al2O3/oxygen-terminated diamond (O-diamond) has been investigated using X-ray photoelectron spectroscopy. The results allowed establishing the band diagram of the Al2O3/O-diamond heterostructure. Then, the electrical properties of the diamond MOSCAP will be shown. Specifically, investigation of the interface states density revealed the pinning of the Fermi level at the interface between the Al2O3 and the O-diamond. Moreover, the leakage currents through the Al2O3 layer will be discussed in terms of temperature dependent trap assisted tunneling of holes from the diamond layer to the top gate contact. Finally, the electrical characterization of the first diamond MOSFET, performed at the National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan, will be presented. Even if this first attempt was unsuccessful, it is promising for the development of diamond MOSFET since the demonstration of the actual realization of the device is clearly established.


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