Films de diamant hétéroépitaxiés sur Ir/SrTiO3/Si: une filière de substrats de taille croissante

par Julien Delchevalrie

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Jean-Charles Arnault.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Institut CEA LIST (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 19-09-2016 .


  • Résumé

    Le diamant est un matériau à grand gap qui possède des propriétés physiques et chimiques extrêmes. Certaines applications nécessitent un matériau monocristallin avec une densité de défaut la plus faible possible [1,2]. A l'heure actuelle, le développement des applications à partir de diamant monocristallin homoépitaxié est grandement limité par la taille des substrats diamant disponibles (quelques mm2) et leur manque de reproductibilité [3,4]. Le diamant hétéroépitaxié apparaît comme une alternative prometteuse dans la mesure où le verrou lié à la taille des substrats pourrait être levé et la reproductibilité améliorée. La nucléation assistée par polarisation du diamant sur des substrats multicouches Ir/SrTiO3 /Si(001) sera réalisée en s'appuyant sur les travaux déjà effectués au laboratoire [5,6]. Le dépôt de diamant hétéroépitaxié sera élargi sur des surfaces allant de 5x5mm² jusqu'à un substrat de 1 pouce. En parallèle à cet élargissement, un travail sera effectué afin de réduire la densité de dislocations du substrat hétéroépitaxié afin de se rapprocher des performances du diamant monocristallin. Des films de diamant dopés au bore seront ensuite déposés sur le substrat hétéroépitaxié. La validation cristalline du matériau obtenu se fera grâce à des mesures de diffraction de rayons X, de cathodoluminescence, de spectroscopie Raman, de microscopie MEB à haute résolution et de SIMS. Les performances du matériau obtenu seront comparées à l'état de l'art. La réalisation de dispositifs homoépitaxiés et hétéroépitaxiés permettra d'évaluer et de mesurer les performances obtenues. Cette thèse se déroulera dans le cadre du projet ANR DIAMWAFEL (2016-2019) qui associe le CEA à quatre autres laboratoires académiques. [1] P.N. Volpe et al, Appl. Phys. Lett. 97, 223501 (2010). [2] A. Traoré et al, Appl. Phys. Lett. 104, 05215 (2014). [3] D. Takeuchi et al, Phys. Stat. Solidi A, A-6 (2014) /DOI 10.1002. [4] M. Schreck et al, MRS Bulletin 39, 504 (2014). [5] N. Vaissière et al, Diam. Relat. Mater. 36 (2013) 16-25. [6] K. H. Lee et al (to be submitted)

  • Titre traduit

    Heteroepitaxial diamond films on Ir/SrTiO3/Si: upscaling of substrates


  • Résumé

    Diamond is a wide band gap material exhibiting extreme physical and chemical properties. Some applications require a single crystal material with a very low defect concentration [1,2]. Nowadays, applications based on homoepitaxial single crystal diamond are limited by the substrate size (few mm²) and their lack of reproducibility [3,4]. Heteroepitaxial diamond is a promising route to achieve large substrate size and reproducible substrates. Bias enhanced nucleation on Ir/SrTiO3/Si(001) layers will be performed based on previous work performed in the laboratory [5,6]. The diamond film deposited on Ir will be enlarge from 5x5mm² area to 1 inch. As the same time as this upscaling, a research work will be done to reduce the dislocation density within the film to be as close as possible to single single crystal properties. The boron doped films will be deposited on this heteroepitaxial substrate. Diamond crystalline film quality will be benchmarked performing X ray diffraction, cathodoluminescence spectroscopy, Raman Spectroscopy, High Resolution SEM analysis and SIMS measurements. Material performances obtain will be compared with the state of the art. A benchmark between homo and heteroepitaxial devices will be performed. This PhD work will be performed in the framework of the ANR profect DIAMWAFEL (2016-2019) which associates CEA with four academic partners. [1] P.N. Volpe et al, Appl. Phys. Lett. 97, 223501 (2010). [2] A. Traoré et al, Appl. Phys. Lett. 104, 05215 (2014). [3] D. Takeuchi et al, Phys. Stat. Solidi A, A-6 (2014) /DOI 10.1002. [4] M. Schreck et al, MRS Bulletin 39, 504 (2014). [5] N. Vaissière et al, Diam. Relat. Mater. 36 (2013) 16-25. [6] K. H. Lee et al (to be submitted)