Epitaxie et propriétés électroniques du diamant de type n

par Nephi Temahuki

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Marie-amandine Pinault-thaury et de Julien Barjon.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Groupe d'étude de la matière condensée (laboratoire) et de université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Le diamant est formé à l'état naturel dans des conditions de haute pression - haute température (HPHT). Il présente un ensemble exceptionnel de propriétés (comme une mobilité importante des deux types de porteurs) qui le rend très attractif en tant que semi-conducteur. Les facteurs de mérite du diamant pour l'électronique de puissance et pour l'électronique hyperfréquence sont potentiellement supérieurs à ceux des autres semi-conducteurs à large bande interdite comme GaN ou SiC. Ainsi, le diamant pourrait conduire au développement des prochaines générations de dispositifs électroniques fonctionnant à haute puissance, haute température, haute fréquence. A ce jour, seul le dopage de type p (conduction par les trous) est bien maîtrisé avec les impuretés bore. Or pour des dispositifs électroniques à base de diamant, il est nécessaire de maîtriser aussi le dopage n (conduction par les électrons). L'équipe « Diamant pour l'électronique » du GEMaC/CNRS-UVSQ étudie depuis une dizaine d'année le dopage n du diamant par incorporation d'impuretés de la colonne V, comme le phosphore et l'arsenic. Pour l'épitaxie par voie chimique en phase vapeur (CVD : méthode privilégiée pour fabriquer les couches minces de diamant destinées à l'électronique), le GEMaC a développé une technique originale de dopage, en utilisant un composé organique (ex : tertiarybutylphosphine, TBP pour le précurseur du phosphore). L'objectif principal du travail de doctorat sera l'élaboration et la caractérisation de diamant de type n de qualité électronique en variant les paramètres expérimentaux : préparations de surface, orientation des substrats, conditions de croissance du diamant, ... Une attention particulière sera portée à l'angle de désorientation des substrats (100). En effet, ce paramètre joue un rôle important sur la formation des marches qu'elle induit en surface et l'incorporation d'impuretés en site donneur. La doctorante ou le doctorant analysera les propriétés physiques des films minces grâce à l'important parc de caractérisations disponible au GEMaC. En particulier, elle ou il étudiera l'insertion de l'impureté en site donneur par voie optique (spectroscopie de cathodoluminescence) et elle ou il confrontera les résultats de spectroscopie aux mesures chimiques de concentration d'impuretés (analyse ionique). Ainsi, elle ou il optimisera le matériau en améliorant les mobilités à faible dopage de façon à se rapprocher des mobilités théoriques (>1000 cm²/V.s) et d'accroître la solubilité du dopant tout en préservant la qualité structurale. Les études physiques porteront d'une façon générale sur les interactions des dopants avec les impuretés et défauts natifs pour comprendre les mécanismes de croissance / compensation / passivation / activation des dopants dans le diamant. Techniques utilisées : élaboration par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD), étude physique par analyse ionique (SIMS) et cathodoluminescence (CL).AFM, MEB.

  • Titre traduit

    Epitaxy and electronic properties of n-type diamond


  • Résumé

    Epitaxy and electronic properties of n-type diamond Diamond is formed naturally in conditions of high pressure - high temperature (HPHT). It presents a unique set of properties (such as high mobility of both types of carrier) which makes it very attractive as a semiconductor. The figures of merit of diamond for power electronics and high frequency electronics are potentially higher than those of other wide bandgap semiconductors such as GaN and SiC. Thus, diamond could lead to the development of the next generation of electronic devices operating at high power, high temperature, high frequency. To date, only the p-type doping (conduction by holes) is well controlled with boron impurities. However for electronic devices diamond-based, it is also necessary to control the n-doping (conduction by electrons). Since ten years, the team "Diamond for electronics" of GEMaC/CNRS-UVSQ laboratory studies the n-type doping of diamond by incorporating impurities from column V, such as phosphorus and arsenic. For epitaxy by chemical vapor deposition (the CVD method is preferred for manufacturing thin films of diamond for electronics), the GEMaC lab has developed an original doping technique, using an organic compound (e.g. tertiarybutylphosphine, TBP, the phosphorus precursor). The main objective of the PhD work will be the synthesis and the characterization of n-type electronic grade diamond by varying the experimental parameters: surface preparation, substrate orientation, diamond growth conditions, ... Specific attention will be paid to the miscut angle of the substrates (100). Indeed, this parameter plays an important role in the formation of macro-steps, that it induces at the surface, as well as in the incorporation of impurities in donor site and. The PhD student will analyze the physical properties of thin films thanks to the important characterizations park available at the GEMaC lab. In particular, the student will consider the introduction of impurity in the donor site by optical means (cathodoluminescence spectroscopy) and will compare the spectroscopic results to chemical impurity concentration (ion analysis). Thus, the student will optimize the material by improving the mobility of low-doping so as to approach the theoretical mobility (> 1000 cm²/Vs) and increase the solubility of the dopant while maintaining the structural quality. Physical studies will focus mainly on interactions between dopants and native impurities and defects in order to understand the growth mechanisms / compensation / passivation / activation of dopants in diamond. Techniques used : Microwave Plasma-assisted Chemical Vapor Deposition (MPCVD), Secondary Ions Mass Spectrometry (SIMS), Cathodo-Luminescence (CL), AFM, SEM.