Dispositifs de puissance en diamant à base de contact Schottky : réglage des propriétés interfaciales pour démontrer les performances ultimes du diamant

Schottky contact based diamond power devices : tuning the interfacial properties to demonstrate diamond unleashed performance

• Auteur / Autrice : Jesus Canas Fernandez
• Direction : Etienne Gheeraert, Marina Gutierrez-Peinado, David Eon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 28/01/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universidad de Cádiz
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Denis Dauvergne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eva Monroy, Mariko Suzuki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Nemanich, Philippe Godignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant -- Couches minces

Électronique de puissance

Semiconducteurs

Diodes à barrière de Schottky

Mots clés libres

Electronique

Mesfet

Diode

Diamant

Schottky

Electronic

Mesfet

Diode

Diamond

Schottky

Résumé

La technologie actuelle du silicium atteint ses limites théoriques et la seule façon d'améliorer les performances est d'utiliser de nouveaux matériaux dotés de meilleures propriétés. Parmi tous les candidats possibles, le diamant est le semi-conducteur ultime pour l'électronique de puissance en raison de ses propriétés exceptionnelles. En plus d'être le matériau le plus dur, le diamant possède les meilleures propriétés parmi les semi-conducteurs à bande interdite ultra large, notamment une mobilité électron-trou élevée, un champ électrique critique élevé et une faible constante diélectrique. En outre, il surpasse tous les matériaux concurrents en termes de conductivité thermique, avec la valeur la plus élevée rapportée pour un matériau quelconque. Toutes ces propriétés font que les performances idéales des dispositifs en diamant sont supérieures à celles de tout autre matériau. Cependant, les dispositifs en diamant sont toujours en cours de développement et présentent plusieurs limitations et goulots d'étranglement technologiques qui doivent être résolus afin d'extraire tout le potentiel du diamant.Cette thèse est dédiée au développement de diodes à barrière Schottky et de transistors à base de Schottky (MESFET) basés sur le diamant de type p. L'optimisation de ces composants est cruciale pour le développement de la technologie du diamant. L'optimisation de ces composants est cruciale pour la future feuille de route du diamant dans le domaine de l'électronique de puissance, car une véritable démonstration du potentiel du diamant fait encore défaut, et elle attirera certainement l'intérêt de la recherche et des entreprises, ce qui poussera le développement des dispositifs et aboutira finalement à leur commercialisation. Afin de démontrer le potentiel du diamant, plusieurs objectifs ambitieux ont été atteints concernant les dispositifs à contact Schottky au cours de cette thèse : i) L'optimisation des propriétés de la jonction métal-diamant d'un point de vue électronique, physico-chimique et de la science des matériaux afin d'obtenir le contact Schottky le plus performant possible. Le molybdène a été sélectionné comme la meilleure option en raison de sa barrière Schottky élevée, son faible facteur d'idéalité, ses grandes capacités de blocage et sa bonne stabilité thermique. La terminaison en oxygène de l'interface du diamant avec le molybdène et son rôle en tant que surface de passivation se sont avérés cruciaux pour les capacités de tension de blocage des contacts. ii) La conception, la fabrication et la caractérisation d'un contact Schottky vertical à base de molybdène supportant >2 MV/cm et 1,1 kV. Ces résultats prometteurs permettront la fabrication de diodes Schottky de 10 kV avec reproductibilité grâce à l'utilisation de couches de diamant plus épaisses à l'avenir. iii) La conception, la fabrication et la caractérisation d'un MESFET latéral ave grille et drain Schottky en diamant à tension de blocage de 1 kV. Le transistor fabriqué est le premier MESFET normalement OFF rapporté dans la littérature et sa future implémentation dans une architecture verticale permettra d'augmenter les performances jusqu'à 100 fois.

The current silicon technology is reaching its theoretical limits and the only road to improve the performance is to use new materials with better properties. Among all possible candidates, diamond is the ultimate semiconductor for power electronics due to its outstanding properties. Besides being the hardest material, diamond possesses the best properties among ultra-wide band gap semiconductors including its high electron-hole mobility, high critical electric field and low dielectric constant. Moreover, it surpasses all competitor materials in terms of thermal conductivity with the highest value reported for any material. All these properties make the ideal performance of diamond devices to be above any other material. However, diamond devices are still under development with several technological limitations and bottlenecks that need to be addressed in order to extract diamond’s full potential.This thesis is dedicated to the development of Schottky barrier diodes and Schottky based transistors (MESFET) based on p-type diamond. The optimization of these components is crucial for the diamond future roadmap for power electronics, as a true demonstration of diamond potential still lacks, and it will definitely attract interest from research and companies further pushing the development of devices and eventually ending up in their commercialization. In order to get demonstrate diamond potential, various challenging objectives were accomplished regarding Schottky contact based devices during this thesis: i) The optimization of metal-diamond junction properties from an electronic, physico-chemical and material science point of view in order to extract the best possible performing Schottky contact. Molybdenum was selected as the best option due to its high Schottky barrier, low ideality factor, great blocking capabilities and good thermal stability. The oxygen termination of diamond interface with molybdenum and its role as a passivation surface were demonstrated to be crucial for the blocking voltage capabilities of the contacts. ii) The design, fabrication and characterization of a vertical Schottky contact based on molybdenum sustaining >2 MV/cm and 1.1 kV. These promising results will allow the fabrication of 10 kV Schottky diodes with reproducibility with the use of thicker diamond layers in the future. iii) The design, fabrication and characterization of a normally-off 1 kV blocking voltage diamond gate-drain Schottky lateral MESFET. The fabricated transistor is the first normally-off MESFET reported in literature and its future implementation into a vertical architecture will allow to boost the performance up to 100 times.