Mise en oeuvre de l'épitaxie par jets moléculaires pour la synthèse de diamant monocristallin

par Thomas Gehin

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Francis Mollot, Dominique Vignaud et de Xavier Wallart.

Soutenue en 2004

à Lille 1 .

mots clés

• Radicaux méthyles
• Hydrogène atomique
• Diamant -- Couches minces -- Croissance
• Épitaxie par faisceaux moléculaires
• Spectrométrie de masse
• Pyrolyse
• Spectroscopie de photoélectrons
• Électrons de haute énergie -- Diffraction
• Semiconducteurs -- Dopage
• Dépôt chimique en phase vapeur

Résumé

Le diamant est un matériau qui possède des propriétés exceptionnelles et peut jouer un rôle de première importance dans les dispositifs électroniques de puissance ou fonctionnant en milieux hostiles. Depuis une vingtaine d'années, la synthèse de films minces de diamant par dépôt chimique en phase gazeuse (CVD) a permis son emploi dans des dispositifs passifs. Cependant, les difficultés associées au contrôle de ses propriétés électriques (maîtrise du dopage de type n) empêchent son utilisation en électronique active. L'Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) est une technique de croissance à très basse pression qui pourrait limiter l'incorporation de défauts et faciliter le dopage des films de diamant, mais elle a été, à l'heure actuelle, très peu utilisée dans cette optique. Contrairement au procédés CVD, elle permet de contrôler indépendamment la nature et les flux des différentes espèces chimiques. Au cours de cette thèse, un bâti a été développé pour étudier la croissance de diamant en ultra-vide. Différentes sources d'hydrogène atomique et de radicaux méthyles, espèces nécessaires à la croissance de diamant en CVD, ont été étudiées et caractérisées en spectrométrie de masse à ionisation de seuil. L'hydrogène atomique était généré par décomposition thermique sur filament chaud ou dans une cellule plasma post-décharge. Le taux de dissociation et la distribution angulaire des flux gazeux ont été mesurés et optimisés. Les radicaux méthyles étaient produits à partir de la décomposition thermique de différents hydrocarbures (CH4,C2H6,CH3COCH3,i-C4H8) en régime moléculaire ou collisionnel.

Titre traduit

Implementation of molecular beam epitaxy for monocrystalline diamond growth

Résumé

La nature des différentes espèces neutres et radicalaires formées a été analysée en spectrométrie de masse et les flux de radicaux méthyles mesurés. On a enfin étudié la réactivité de ces radicaux vis-à-vis des surfaces silicium (l00) et diamant (100), in-situ par diffraction d'électrons rasants de haute énergie et ex-situ par spectroscopie de photoélectrons excités par rayons X. La réactivité des radicaux carbonés a été analysée en observant la formation de carbures ou de dépôts de carbone amorphe. L'hydrogène atomique attaque préférentiellement le carbone Sp2 et stabilise la croissance de diamant. Sa réactivité en fonction de la température a été mesurée par érosion de films de carbone amorphe déshydrogénés et de surfaces diamant. On a enfin étudié la synergie entre l'hydrogène atomique et les radicaux carbonés, ainsi que l'activation de la réactivité des surfaces par l'hydrogène atomique. Ce dernier permet d'activer la condensation de C3H5° et de former des films de carbone amorphe (DLC). Par contre, dans nos conditions de pression et de température, le système H° / CH3° ne permet pas la croissance de diamant, ni celle d'autres formes condensées de carbone. Ces résultats sont discutés en considérant que les flux de H° sont trop faibles pour activer l'incorporation de carbone avant la désorption des groupements chimisorbés.