Croissance latérale MPCVD de diamant en homoépitaxie pour dispositifs électroniques de puissance

par Fernando Lloret Vieira

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Etienne Bustarret et de Daniel Araújo.

Soutenue le 15-06-2017

à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Universidad de Cádiz , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Chaillout-Bougerol.

Le jury était composé de Isabelle Berbezier, Maria del Pilar Villar, David Eon.

Les rapporteurs étaient François Silva, Ken Haenen.


  • Résumé

    Le diamant est le semi-conducteur par excellence pour les composants électroniques de puissance. Par conséquent, la technique de croissance du diamant et les dispositifs à base de diamant ont été largement étudiés dans le monde entier au cours des deux dernières décennies. A ce jour, les diodes Schottky à base de diamant sont les composants les plus avancés et les plus prometteurs. Cependant, pour remplacer Si et SiC dans cette filière technologique, des progrès importants dans la technologie du diamant sont nécessaires.L'amélioration de l’électronique de puissance dépend non seulement des caractéristiques intrinsèques du semi-conducteur mais aussi de l'architecture du dispositif. Les dispositifs verticaux et pseudo-verticaux offrent nombreux avantages comme la faible résistance spécifique, la haute tension de rupture et une taille réduite. De plus, la conception tridimensionnelle (3D) permet de réduire le champ électrique à l'intérieur du matériau et de tirer parti des qualités exceptionnelles du diamant si le mécanisme de croissance de ce matériau sur un substrat structuré était plus étudié et mieux compris.Ainsi, le but de ce manuscrit de thèse est de comprendre les mécanismes qui régissent la reprise de croissance en homoépitaxie sur un substrat structuré 3D en diamant. Pour atteindre cet objectif, les principaux mécanismes de la croissance CVD sur substrat gravé sont étudiés expérimentalement par microscopie électronique en transmission grâce à une approche stratigraphique originale qui permet de suivre la direction de croissance et la génération de défauts aux différentes étapes de la croissance. L’observation de divers secteurs de croissance, d’une tendance générale à la planarisation, et le rôle important joué par la concentration de méthane qui gouverne la vitesse de croissance, sont les principaux résultats de cette étude. Divers modèles d’interprétation allant de l’échelle atomistique à l’échelle macroscopique sont discutés. L'origine des dislocations, et des autres défauts étendus et superficiels a été déterminée. Les basses concentrations de méthane ont permis une croissance 3D de haute qualité. La reprise de croissance sur des micro-terrasses est présentée comme une alternative pour l’obtention de grandes surfaces sans défauts. Une nouvelle méthode basée sur le renforcement par solution solide est introduite comme alternative à la cathodoluminescence pour évaluer le dopage dans les régions riches en dislocations, où les défauts empêchent l’observation d’excitons. Tous les résultats obtenus ont été pris en compte pour réduire le nombre d’étapes technologiques nécessaires pour fabriquer des composants à architecture 3D en diamant (diode Schottky ou même MOSFET). Dans le cas des diodes Schottky, le procédé et l’architecture proposés ont les avantages suivants :- « Filtrer » les dislocations.- Permettre d’étendre la région de champ arbitrairement.- Eviter certaines étapes de photolithographie.- Améliorer le contact ohmique, par croissance d’une couche p+ sur une facette {111}.

  • Titre traduit

    MPCVD homoepitaxial diamond lateral growth for diamond power devices


  • Résumé

    Diamond is the ultimate semiconductor for power electronic devices. Consequently, diamond growth techniques and diamond-base devices have been intensively investigated over the last two decades all over the world. Among these power devices, diamond based Schottky diodes are the most advanced. However, for diamond to substitute present Si and SiC for power electronics, a substantial technological progress is still needed.The improvement of power devices depends not only on the intrinsic characteristic of the semiconductor, but also on the device architecture. Vertical and pseudo-vertical devices offer many advantages such as low-specific on-resistance, high breakdown voltage and a smaller size. Moreover, three-dimensional (3D) design allows to reduce the electric field inside the material and would make the most out of the superb material qualities of diamond, if only the diamond growth mechanism over patterned diamond substrates would be better studied and understood.Thus, the aim of this thesis manuscript is to understand the mechanisms governing the three-dimensional (3-D) shaped diamond substrates homoepitaxial overgrowth, in order to implement them in the design and fabrication of a Schottky device.To reach this goal, the main mechanisms of CVD growth over patterned substrates were experimentally investigated by transmission electronic microscopy using a novel stratigraphic approach that allowed to follow the growth direction and generation of defects at various stages. Evidence was provided for many sectors of growth, and a tendency to planarization, while the methane concentration and resulting growth rates were shown to be key parameters. Various interpretation models, from the atomistic to the macroscopic scale, were discussed. The origin of dislocations, and of other extended and superficial defects was determined. Low methane concentrations led to high quality 3-D overgrowth. The overgrowth of micro-terraces is proposed as a method to achieve large areas free of defects. A novel method based in solid solution strengthening was introduced as an alternative to cathodoluminescence to evaluate boron doping in dislocation-rich regions where extended defects usually hinder this approach. All the results obtained above have been taken into account to reduce the number of technological steps leading to a diamond based 3D device (Schottky diode or even MOSFET). In the case of Schottky diodes, a 3D design was proposed with the following advantages:- To “filter” dislocations.- To allow an arbitrary large field region.- To spare photolithography steps.- To improve ohmic contacts, as the p+ layer is grown on a {111} facet.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. Documentation électronique.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Documentation électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.