UTILISATION DES SEMI-CONDUCTEURS A LARGE BANDE INTERDITE EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

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Aspect cristallographique et classification des diffรฉrents types de diamant

Cristallographie du diamant

Selon lโ€™arrangement des atomes entre eux (sp1, sp2 ou sp3) et leur configuration, le carbone peut cristalliser sous plusieurs formes : diamant, graphite, lonsdaleites, fullerรจnes, carbone amorpheโ€ฆ En configuration sp3, laquelle donne lieu ร  la cristallisation sous forme de diamant, les liaisons covalentes sont en position tรฉtraรฉdrique. La configuration sp2, trรจs rรฉpandue aux conditions normales de tempรฉrature et de pression (CNTP), est celle qui donne lieu ร  la cristallisation sous forme de graphite.
La Figure II-1 prรฉsente la structure cristallographique du diamant. La structure diamant est formรฉe par lโ€™interpรฉnรฉtration de deux rรฉseaux cubiques faces centrรฉs, lโ€™un dรฉcalรฉ de (1/4, ยผ, ยผ).a par rapport ร  lโ€™autre, a รฉtant le paramรจtre de maille รฉlรฉmentaire, qui vaut 3,57.
ร…. Sur la Figure II-1 b, on peut observer la maille รฉlรฉmentaire du diamant. Chaque atome de carbone, tรฉtravalent, est liรฉ ร  4 atomes de carbone. La distance inter atomique vaut 1,54 ร…. En plus des huit atomes des coins (en bleu) et des 6 atomes face centrรฉs (en rouge), elle contient quatre atomes rรฉsultant de cette interpรฉnรฉtration (en jaune).
Le graphite a une densitรฉ plus faible que le diamant (2,25 g/cm3 contre 3,52 g/cm3 pour le diamant). Il est composรฉ dโ€™un empilement de plans de graphรจne qui se caractรฉrisent par une configuration hexagonale des atomes (voir Figure II-2). Les liaisons composant les plans sont de type sp2. Les liaisons sur les plans sont trรจs fortes et courtes (1,42 ร…). Les liaisons entre plans sont longues et faibles (3,35 ร…). Cette configuration de plans empilรฉs et la diffรฉrence entre les liaisons dans le plan et les liaisons reliant les plans confรจrent un caractรจre anisotrope au graphite, tant du point de vue mรฉcanique quโ€™รฉlectrique.

Classification du diamant

Les diamants sont gรฉnรฉralement classifiรฉs selon quatre types, en fonction de la quantitรฉ et la nature des impuretรฉs quโ€™ils contiennent. Les impuretรฉs considรฉrรฉes sont lโ€™azote et le bore, car elles sโ€™incorporent facilement dans les cristaux de diamant.
Type Ia : ils composent 98 % des diamants naturels. Ils sont caractรฉrisรฉs par la prรฉsence dโ€™agrรฉgats dโ€™azote en leur sein. Ils ont gรฉnรฉralement une couleur jaune pรขle.
Type Ib : ces diamants contiennent une grande quantitรฉ dโ€™azote en sites substitutionnels. Ils ont gรฉnรฉralement une couleur allant du jaune intense au brun.
Type IIa : ces diamants sont quasiment exempts dโ€™impuretรฉs. Ils contiennent notamment des concentrations dโ€™azote infรฉrieures ร  2 ppm. Ils sont transparents aux longueurs dโ€™ondes descendant jusquโ€™ร  225 nm et sont รฉlectriquement isolants.
Type IIb : ils contiennent des concentrations dโ€™azote trรจs faibles. Ils prรฉsentent, de plus, des atomes de bore en substitution, leur confรฉrant une conductivitรฉ de type p. Ces diamants sont de couleur bleue.

La synthรจse du diamant

Historique

Il faut attendre la fin du XVIIIรจme siรจcle pour connaรฎtre la composition chimique du diamant. En 1772, Lavoisier dรฉmontre que la combustion du diamant ne donne que du dioxyde de carbone. En 1796, Tennant รฉtablit que la combustion dโ€™une mรชme masse de diamant et de charbon donne une mรชme masse de dioxyde de carbone, dรฉmontrant ainsi que le diamant est exclusivement composรฉ de carbone. Au cours des XIXรจme et XXรจme siรจcles, de nombreux chercheurs tentent de synthรฉtiser du diamant, gรฉnรฉralement en essayant de reproduire les conditions de crรฉation du diamant naturel, ร  haute pression et haute tempรฉrature.
La premiรจre preuve dโ€™une tentative rรฉussie de synthรจse de diamant est donnรฉe en 1955 par le laboratoire de recherche de General Electric (Etats-Unis), par synthรจse HPHT dans un solvant mรฉtallique. Ce succรจs est largement dรป au travail du laboratoire pour concevoir des presses capables de rรฉaliser les conditions nรฉcessaires ร  la synthรจse de diamant. Ces premiers diamants sont des grains dont les dimensions sont infรฉrieures ร  un quart de millimรจtre et dont la forme varie en fonction des conditions utilisรฉes. Il faut attendre encore quinze ans pour que la maรฎtrise du procรฉdรฉ soit suffisante pour synthรฉtiser du diamant mono-cristallin de plus grande taille (quelques millimรจtres).
Lโ€™idรฉe de dรฉposer du diamant ร  basse pression a รฉtรฉ รฉmise en 1955 par P. W. Bridgman. W. Eversole fut le premier ร  prouver la faisabilitรฉ de dรฉposer du diamant par CVD, en utilisant un mรฉlange de CO et de CO2. Il en a dรฉcoulรฉ de nombreuses รฉtudes, mais les vitesses de croissance restaient alors trรจs faibles. Les รฉtapes de dรฉpรดt รฉtaient en outre entrecoupรฉes dโ€™รฉtapes dโ€™attaque des phases graphitiques par gravure hydrogรจne ou par oxydation. Dans les annรฉes 70, Derjaguin et al. parviennent ร  dรฉposer du diamant de bonne qualitรฉ sur des substrats diamants et non diamants [7]. Dans les annรฉes 80, les efforts considรฉrables du NIRIM (National Institute for Research in Inorganic Materials, Japon) permettent de synthรฉtiser des films de diamant par MPCVD et HFCVD (Hot Filament Chemical Vapor Deposition) ร  des vitesses dรฉpassant 10 ยตm/h [8], ce qui a eu pour effet de relancer lโ€™intรฉrรชt pour les techniques de dรฉpรดt CVD du diamant. Aujourdโ€™hui, lโ€™amรฉlioration de la qualitรฉ des films de diamant dรฉposรฉs par CVD ouvre la voie ร  des applications jusquโ€™alors inaccessibles, telles que son utilisation en รฉlectronique de puissance.

Les diffรฉrentes mรฉthodes

Le diamant nโ€™est pas stable aux conditions normales de tempรฉrature et de pression, comme on peut le voir sur le diagramme de phase du carbone (Figure II-3). Ceci explique la difficultรฉ ร  le synthรฉtiser. Le diamant naturel est dโ€™ailleurs synthรฉtisรฉ sous terre, dans des conditions de tempรฉrature et de pression extrรชmes. Toutefois, il est possible de voir du diamant aux CNTP. En effet, dans ces conditions, lโ€™รฉnergie thermique est trop faible pour casser les liaisons de type diamant (sp3) et les reconstruire sous la forme propre au graphite (sp2). A lโ€™inverse, il est possible, pour les mรชmes raisons, de trouver du graphite sous forme mรฉtastable dans la zone de stabilitรฉ du diamant.
Le diagramme de phase de la Figure II-3 prรฉsente aussi les diffรฉrentes conditions utilisรฉes pour la synthรจse du diamant.
La zone A reprรฉsente les conditions dans lesquelles on peut obtenir du diamant ร  partir de graphite en prรฉsence dโ€™un solvant mรฉtallique. Le graphite est en effet fortement soluble dans certains mรฉtaux, comme le nickel. La dissolution du graphite dans ces mรฉtaux permet de contrer son caractรจre mรฉtastable ร  ces conditions de tempรฉrature et de pression. Le carbone cristallise alors sous la forme de grains de diamant. Il est possible, par lโ€™ajout dโ€™un germe de diamant et une trรจs bonne maรฎtrise du procรฉdรฉ, de faire cristalliser le carbone sous forme de mono-cristaux ayant une taille de plusieurs millimรจtres. Les cristaux obtenus sont gรฉnรฉralement jaunes du fait de leur teneur en azote. Ils contiennent de plus une petite quantitรฉ de mรฉtal provenant du solvant utilisรฉ.
Pour se passer de solvant mรฉtallique, il faut augmenter de maniรจre substantielle la tempรฉrature (zone B) ou la pression (zone D). La zone D correspond ร  la technique de synthรจse du diamant par dรฉtonation, dรฉveloppรฉe en 1961 par De Carli et Jamieson, et utilisรฉe principalement ร  lโ€™heure actuelle pour synthรฉtiser du diamant nanocristallin ou microcristallin ร  partir de graphite ou de fullerรจnes.
Enfin, la zone C correspond aux mรฉthodes de synthรจse de diamant par CVD. Celles-ci sont remarquables car la synthรจse est alors rรฉalisรฉe hors de la zone de stabilitรฉ du diamant. Il en existe une grande variรฉtรฉ. Elles se diffรฉrencient notamment les unes des autres par la mรฉthode dโ€™activation des espรจces introduites dans le bรขti de dรฉpรดt. Pour en savoir plus, on pourra se reporter ร  lโ€™ouvrage โ€œDiamond chemical vapor depositionโ€ de Liu et Dandy [10]. La HFCVD permet la croissance sur des surfaces allant jusquโ€™ร  plusieurs dizaines de centimรจtres de cรดtรฉ, pour des vitesses de croissance allant de 0,1 ร  50 ยตm/h. Toutefois, elle induit une pollution mรฉtallique du film due ร  la corrosion du filament durant la croissance. Elle est donc indiquรฉe pour le dรฉpรดt de films dont la puretรฉ nโ€™est pas le paramรจtre essentiel. La mรฉthode de dรฉpรดt par torche plasma permet de trรจs grandes vitesses de croissance (plusieurs centaines de microns par heure). La flamme est rรฉalisรฉe grรขce ร  un mรฉlange dโ€™acรฉtylรจne et dโ€™oxygรจne. Le principal dรฉsavantage de cette mรฉthode rรฉside dans la difficultรฉ de maรฎtrise de lโ€™homogรฉnรฉitรฉ du film. Aussi celle-ci doit-elle encore รชtre amรฉliorรฉe, mais pourrait jouer un rรดle important pour la croissance de films รฉpais dans le futur. Enfin, les mรฉthodes de dรฉpรดt CVD assistรฉs par plasma (PACVD, pour Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition), et notamment la mรฉthode MPCVD, nous intรฉressent particuliรจrement dans la mesure oรน elles permettent de dรฉposer la majoritรฉ des films utilisรฉs en รฉlectronique de puissance.

Le croissance de diamant par MPCVD

Principe

Comme la plupart des mรฉthodes de croissance de diamant par CVD, la MPCVD fait gรฉnรฉralement appel au mรฉlange dโ€™un composรฉ carbonรฉ et dโ€™hydrogรจne. Le composรฉ carbonรฉ, la plupart du temps du mรฉthane, fournit le carbone nรฉcessaire ร  la croissance du diamant, tandis que lโ€™hydrogรจne grave prรฉfรฉrentiellement les phases de carbone non diamant, de sorte ร  obtenir un cristal pur. Les molรฉcules de gaz sont dissociรฉes par le plasma micro-onde. La frรฉquence vaut gรฉnรฉralement 2,45 GHz, la tempรฉrature du substrat est fixรฉe entre 800 ยฐC et 1100 ยฐC. La pression peut varier de 10 torr ร  100 torr. Dans ces conditions, la forme stable du carbone est le graphite. La proportion de carbone diamant dรฉposรฉe par rapport au carbone non diamant est donc trรจs faible. Lโ€™hydrogรจne, prรฉsent en grande concentration dans le bรขti de croissance (> 95 %), permet une gravure fortement sรฉlective des phases graphitiques. Outre la tempรฉrature et la pression, de nombreux paramรจtres tels que les concentrations partielles des diffรฉrentes espรจces, la densitรฉ de plasma, lโ€™orientation cristalline du substrat et sa prรฉparation prรฉalable, ont un impact sur la cinรฉtique de dรฉpรดt des films et sur leur qualitรฉ [10]. La Figure II-4 prรฉsente le schรฉma ainsi que la photographie dโ€™un rรฉacteur MPCVD.
A lโ€™heure actuelle, les mรฉcanismes de formation du diamant dans ces conditions ne sont pas encore parfaitement connus. Plusieurs modรจles dรฉcrivent partiellement les rรฉactions qui ont lieu, mais de nombreuses รฉtudes sont encore menรฉes pour comprendre exactement les mรฉcanismes mis en jeu ; ceci permettrait notamment une modรฉlisation plus prรฉcise des conditions de dรฉpรดt nรฉcessaires pour rรฉaliser des croissances optimisรฉes.
La technique MPCVD permet de rรฉaliser des films dโ€™une รฉpaisseur de quelques microns ร  plus dโ€™un millimรจtre. Dans le cas de films รฉpais, il est alors possible, aprรจs retrait du substrat de croissance, dโ€™obtenir des films auto-supportรฉs.

Choix du substrat

Le dรฉpรดt de diamant peut รชtre rรฉalisรฉ sur diffรฉrents types de substrats. Sโ€™il sโ€™agit dโ€™un substrat de diamant, on parle dโ€™homoรฉpitaxie. Au contraire, sโ€™il sโ€™agit dโ€™un substrat autre, on parle dโ€™hรฉtรฉroรฉpitaxie.

Homoรฉpitaxie

La MPCVD permet dโ€™obtenir des conditions de dรฉpรดt homogรจne sur des surfaces allant jusquโ€™ร  2 pouces. Toutefois, les substrats diamant disponibles ร  lโ€™heure actuelle ont des surfaces allant environ de 3×3 mm2 ร  5×5 mm2. La taille des films de diamant monocristallins est donc limitรฉe par la taille des substrats disponibles. La Figure II-5 prรฉsente la photographie dโ€™un film dโ€™une รฉpaisseur de 40 ยตm dรฉposรฉ sur un substrat 1b dโ€™une รฉpaisseur de 1,5 mm et dโ€™une surface de 3×3 mm2, synthรฉtisรฉ au LIMHP (Villetanneuse, France), ainsi que la photographie dโ€™un รฉchantillon auto-supportรฉ dโ€™une รฉpaisseur de 500 ยตm et dโ€™une surface de 5×5 mm2, aprรจs retrait du substrat et polissage, synthรฉtisรฉ par la compagnie Element Six. La coloration jaune du premier รฉchantillon est due au substrat de croissance, riche en azote.
Lโ€™amรฉlioration des rรฉsultats de croissance de diamant par homoรฉpitaxie passe notamment par le perfectionnement des procรฉdรฉs de fabrication de diamant par les mรฉthodes HPHT, de sorte ร  obtenir des substrats de plus grande taille et de meilleure qualitรฉ.

Hรฉtรฉroรฉpitaxie

Il est possible de condenser du carbone sous forme de diamant sur une grande variรฉtรฉ de substrats. Nรฉanmoins, le dรฉpรดt sur substrat non diamant nโ€™a pour le moment donnรฉ lieu quโ€™ร  lโ€™obtention de diamant polycristallin, du fait du dรฉsaccord de maille entre le diamant et le substrat utilisรฉ. Lโ€™hรฉtรฉroรฉpitaxie est donc principalement utilisรฉe pour dรฉposer des films de grande taille, pour lesquels les paramรจtres de transport รฉlectrique ne sont pas essentiels. La taille des grains obtenus varie fortement selon les conditions de dรฉpรดt, le substrat utilisรฉ et lโ€™รฉpaisseur du film.
Le silicium est couramment utilisรฉ en tant que substrat, du fait de son coefficient thermique dโ€™expansion proche de celui du diamant, induisant des contraintes faibles ร  lโ€™interface.

Dopage des films

Il est possible de doper les films durant leur croissance (dopage in situ), par implantation ionique et par diffusion. Lโ€™implantation ionique et la diffusion seront traitรฉes dans le chapitre 3. A ce jour, le dopage in situ est la mรฉthode de dopage qui a donnรฉ les meilleurs rรฉsultats en termes de qualitรฉ รฉlectronique des films et de contrรดle des niveaux de dopage. Lโ€™impuretรฉ dรฉsirรฉe est ajoutรฉe dans la phase gazeuse lors de la croissance. Toute la difficultรฉ consiste ร  trouver les conditions maximisant son incorporation en site substitutionnel, tout en crรฉant un minimum de dรฉfauts dans le cristal de maniรจre ร  garantir des bonnes propriรฉtรฉs de transport รฉlectronique.
Dans le cas du dopage p (bore), lโ€™incorporation in situ permet de rรฉaliser des couches dont la concentration en impuretรฉs varie sur une large bande, allant des dopages modรฉrรฉs (environ 1015 cm-3) aux dopages รฉlevรฉs, conduisant ร  la dรฉgรฉnรฉrescence du matรฉriau. Lโ€™impuretรฉ employรฉe est le bore, dont la source est gรฉnรฉralement du diborane (B2H6) ou du trimethylbore (TMB).
Les films de ce type ont aujourd’hui atteint de bons niveaux de puretรฉ et de faibles taux de dislocations, ce qui se traduit par de faibles niveaux de compensation des dopants et de bonnes mobilitรฉs [11-13]. Il est toutefois encore trรจs difficile de faire croรฎtre des films dopรฉs bore dโ€™une รฉpaisseur suffisante pour leur assurer une tenue mรฉcanique adรฉquate aprรจs retrait du substrat de croissance.
Le dopage in situ est รฉgalement la mรฉthode qui a donnรฉ les meilleurs rรฉsultats pour l’obtention de films dopรฉs n. La conduction de type n est obtenue par incorporation de phosphore dans le rรฉseau cristallin. La phosphine (PH3) est souvent utilisรฉe comme source de phosphore. Pour l’instant, les rรฉsultats les plus probants ont รฉtรฉ obtenus dans le cas d’รฉchantillons dโ€™orientation cristalline (111). Il semblerait en effet que le mรฉcanisme de croissance pour une telle orientation cristalline amรฉliore la solubilitรฉ du phosphore [14, 15]. Le niveau d’ionisation profond du phosphore (0,6 eV) rend nรฉcessaire l’obtention de densitรฉs de phosphore รฉlevรฉes, de maniรจre ร  disposer de densitรฉs de porteurs significatives. Jusqu’ร  prรฉsent, les plus hauts niveaux de dopages n relevรฉs dans la littรฉrature sont de lโ€™ordre de 1.1020 cm-3 [16, 17] dans le cas de l’orientation (111).
Les tentatives rรฉussies dโ€™incorporation du phosphore dans du diamant (100) sont pour le moment peu nombreuses [18-22]. La plus forte densitรฉ dโ€™impuretรฉs atteinte vaut 5.1018 cm-3. Compte tenu de la forte รฉnergie d’ionisation du phosphore, ceci n’est pas suffisant pour rรฉaliser des dispositifs รฉlectroniques performants. En outre, d’aprรจs les rรฉsultats observรฉs, il semblerait que le mรฉcanisme mรชme de croissance de couches (100) dopรฉes phosphore induise des centres de compensation, ce qui tend ร  abaisser encore les concentrations de porteurs รฉlectriques disponibles.

Caractรฉristiques des films obtenus par homoรฉpitaxie CVD

Taille des รฉchantillons

Comme nous lโ€™avons vu prรฉcรฉdemment, la taille des รฉchantillons est limitรฉe principalement par la taille des substrats de croissance. Les รฉchantillons typiquement utilisรฉs au cours du prรฉsent travail ont des dimensions variant de 3×3 ร  4×4 mm2.
Lโ€™รฉpaisseur peut fortement varier dโ€™un รฉchantillon ร  lโ€™autre. Elle peut aller de 150 ยตm pour un รฉchantillon auto-supportรฉ de faible รฉpaisseur ร  plus dโ€™1,5 mm pour un film sur son substrat de croissance.
Pour des applications en รฉlectronique de puissance, il sera important, ร  terme, dโ€™avoir des รฉchantillons auto-supportรฉs, de maniรจre ร  pouvoir exploiter tout leur volume, condition nรฉcessaire ร  lโ€™obtention de bons compromis rรฉsistance passante / tenue en tension. En outre, afin de garder une rรฉsistance passante raisonnable, une grande partie de lโ€™รฉpaisseur de lโ€™รฉchantillon devra รชtre fortement dopรฉe. La synthรจse de films de diamant fortement dopรฉs et dโ€™รฉpaisseur suffisante reste, ร  lโ€™heure actuelle, un verrou technologique important.

Orientation cristalline

Lโ€™orientation cristalline de lโ€™รฉchantillon dรฉpend de lโ€™orientation cristalline du substrat sur lequel il a รฉtรฉ dรฉposรฉ.
Au cours de cette thรจse, nous avons fait le choix de travailler sur des รฉchantillons dโ€™orientation (1,0,0), car ils prรฉsentent des surfaces plus grandes que les รฉchantillons (1,1,0) et (1,1,1). Si les couches (1,0,0) peuvent รชtre dopรฉes p durant leur croissance, leur dopage n nโ€™รฉtait pas disponible au dรฉbut de ces travaux et reste, pour lโ€™instant, marginal.

Dรฉfauts cristallins

Plusieurs types de dรฉfauts peuvent รชtre relevรฉs dans le film aprรจs croissance : dรฉfauts ponctuels (lacunes, interstitiels ou impuretรฉs en site substitutionnel), linรฉaires (dislocations), planaires (fautes dโ€™empilement, joints de grains) ou volumiques (agrรฉgats dโ€™impuretรฉs ou de lacunes, phases graphitiques). La minimisation de la densitรฉ de dรฉfauts passe par une bonne maรฎtrise des conditions de croissance dโ€™une part, et par le choix de substrats de bonne qualitรฉ dโ€™autre part. Pour ce qui est de lโ€™influence du substrat, elle provient en grande partie de la qualitรฉ de sa surface. La croissance par CVD รฉtant orientรฉe verticalement, les dรฉfauts prรฉsents en surface du substrat se propagent verticalement depuis lโ€™interface substrat/film CVD. Avant lโ€™รฉtape de croissance, les substrats sont polis de maniรจre ร  obtenir une faible rugositรฉ. Cette รฉtape de polissage doit รชtre bien maรฎtrisรฉe : en effet, les mรฉthodes de polissage du diamant sont essentiellement mรฉcaniques (du fait de son inertie chimique) et entraรฎnent lโ€™apparition de dรฉfauts ร  la surface du diamant jusquโ€™ร  plusieurs microns de profondeur. Une รฉtape de gravure plasma est donc gรฉnรฉralement effectuรฉe prรฉalablement ร  lโ€™รฉtape de croissance [23, 24]. Nรฉanmoins, les dรฉfauts qui se propagent dans le volume des substrats รฉmergent en surface et ne peuvent pas รชtre รฉvitรฉs. Les substrats, de qualitรฉ variable ร  lโ€™heure actuelle quant ร  leur densitรฉ de dรฉfauts, jouent un rรดle important dans la cristallinitรฉ du film obtenu [25].
Ces dislocations peuvent รชtre visibles ร  la surface des รฉchantillons, comme le montre la Figure II-7. Elles sont notamment rรฉvรฉlรฉes par des procรฉdรฉs de gravure car elles offrent des sites dโ€™attaque prรฉfรฉrentielle. Sur la Figure II-7 a, on peut constater que les dislocations suivent des lignes. Elles sont la manifestation de la prรฉsence de rayures de polissage sur le substrat avant la croissance du film.
Le taux de dรฉfauts prรฉsents dans le film de diamant aura une incidence sur les mobilitรฉs des porteurs รฉlectriques et sur son aptitude ร  tenir de forts champs รฉlectriques.

Contamination

On retrouve souvent dans les films de diamant des concentrations non nรฉgligeables dโ€™azote et de bore, รฉlรฉments qui sโ€™incorporent en effet trรจs facilement dans le cristal de diamant. Lโ€™azote agit comme un donneur profond et est donc nรฉfaste aux propriรฉtรฉs รฉlectroniques des films. A lโ€™heure actuelle, lโ€™incorporation dโ€™azote est assez bien maรฎtrisรฉe et sa concentration dans les films dรฉdiรฉs ร  lโ€™รฉlectronique est nรฉgligeable. Lโ€™incorporation aisรฉe du bore dans les films de diamant peut poser des problรจmes pour la synthรจse de films de type p- ou n, pour lesquels il agit comme un piรจge. Le bore incorporรฉ accidentellement dans les films est gรฉnรฉralement dรป ร  lโ€™effet mรฉmoire des bรขtis de dรฉpรดt : il provient de rรฉsidus de runs prรฉcรฉdents. Ceci peut รชtre partiellement attรฉnuรฉ par un nettoyage rรฉgulier des bรขtis ou par lโ€™ajout, durant lโ€™รฉtape de croissance, dโ€™รฉlรฉments qui limitent lโ€™incorporation du bore, tels que lโ€™oxygรจne [27]. La synthรจse de films ayant de faibles concentrations de bore reste cependant une question majeure ร  lโ€™heure actuelle.
En outre, le plasma hydrogรจne peut partiellement attaquer le tube en quartz du bรขti dโ€™รฉpitaxie, ce qui peut induire des contaminations en Si [28].

Propriรฉtรฉs รฉlectroniques du diamant dopรฉ bore

Nous prรฉsentons ici certaines propriรฉtรฉs รฉlectroniques du diamant dopรฉ bore. Les calculs prรฉsentรฉs sont effectuรฉs pour des films de diamant dont les taux de compensation des porteurs รฉlectriques apportรฉs par le dopage sont supposรฉs nuls.

Mobilitรฉ en fonction du dopage

La mobilitรฉ des trous dans le diamant faiblement dopรฉ vaut environ 2000 cm2/V.s. Cette valeur tend ร  diminuer avec lโ€™augmentation du dopage, comme dans les autres semi-conducteurs. Selon [13], la mobilitรฉ des trous dans le diamant, ร  tempรฉrature ambiante, en fonction du dopage bore vaut : ฮผ = 2016 Nimp 0,73 ร‰quation II-1 17 1+ 3,25โ‹…10.
La Figure II-8 prรฉsente la mobilitรฉ des trous dans le diamant en fonction de la concentration dโ€™accepteurs (bore), comparรฉe avec les mobilitรฉs des รฉlectrons dans le silicium, le carbure de silicium 4H et le nitrure de gallium en fonction de la concentration de donneurs.

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Table des matiรจres

INTRODUCTION
CHAPITRE I : UTILISATION DES SEMI-CONDUCTEURS A LARGE BANDE INTERDITE EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
I.1 LES DEFIS DE Lโ€™ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
I.1.1 Au coeur des composants de puissance, la zone de drift
I.1.2 Augmentation de la puissance commutรฉe
I.1.2.1 Augmentation du courant
I.1.2.2 Augmentation de la tension bloquรฉe
I.1.3 Augmentation de la frรฉquence
I.1.4 La limitation thermique
I.1.4.1 Les pertes dans un interrupteur dโ€™รฉlectronique de puissance
I.1.4.2 Le refroidissement des composants
I.1.5 Les pistes envisagรฉes
I.2 LES PROPRIETES DU DIAMANT
I.3 CONCLUSION
I.4 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1
CHAPITRE II : LE DIAMANT CVD
II.1 ASPECT CRISTALLOGRAPHIQUE ET CLASSIFICATION DES DIFFERENTS TYPES DE DIAMANT
II.1.1 Cristallographie du diamant
II.1.2 Classification du diamant
II.2 LA SYNTHESE DU DIAMANT
II.2.1 Historique
II.2.2 Les diffรฉrentes mรฉthodes
II.2.3 Le croissance de diamant par MPCVD
II.2.3.1 Principe
II.2.3.2 Choix du substrat
Homoรฉpitaxie
Hรฉtรฉroรฉpitaxie
II.2.3.3 Dopage des films
Dopage p
Dopage n
II.2.3.4 Caractรฉristiques des films obtenus par homoรฉpitaxie CVD
Orientation cristalline
Dรฉfauts cristallins
Contamination
II.3 PROPRIETES ELECTRONIQUES DU DIAMANT DOPE BORE
II.3.1 Mobilitรฉ en fonction du dopage
II.3.2 Rรฉsistivitรฉ en fonction du dopage
II.4 ETAT DE Lโ€™ART DES COMPOSANTS REALISES SUR DIAMANT CVD MONOCRISTALLIN
II.4.1 Diodes Schottky
II.4.2 Diodes PN et PIN
II.4.3 Transistors ร  effet de champ
II.4.4 Commutateurs activรฉs par faisceau UV ou faisceau dโ€™รฉlectrons
II.5 CONCLUSION
II.6 REFERENCES DU CHAPITRE II
CHAPITRE III : DEVELOPPEMENT DES PROCEDES TECHNOLOGIQUES
III.1 LE DOPAGE DU DIAMANT
III.1.1 Etat de lโ€™art
III.1.1.1 Les impuretรฉs envisagรฉes pour doper le diamant
Dopants accepteurs
Dopants donneurs
III.1.1.2 Les techniques de dopage
Le dopage par diffusion
Le dopage par implantation ionique
III.1.2 Etudes mises en oeuvre au laboratoire
III.1.2.1 Calibrage du simulateur SRIM
III.1.2.2 Dรฉfinition du procรฉdรฉ d’implantation
III.1.2.3 Essais expรฉrimentaux
Premiers tests
Etude de la face arriรจre de lโ€™รฉchantillon
III.1.3 Conclusion relative aux รฉtudes sur le dopage du diamant
III.2 LE DEPOT DE CONTACTS OHMIQUES SUR DIAMANT CVD
III.2.1 Thรฉorie sur les contacts ohmiques
III.2.2 Caractรฉrisation des contacts ohmiques par la mรฉthode TLM
III.2.2.1 Gรฉnรฉralitรฉs
III.2.2.2 Equations et rรฉsolution pour le cas du motif TLM droit
Dรฉtermination de la rรฉsistivitรฉ spรฉcifique de contact par extraction de la rรฉsistance de fin de contact
Dรฉtermination de la rรฉsistivitรฉ spรฉcifique de contact sans extraction de la rรฉsistance de fin de contact
III.2.3 Etat de lโ€™art
III.2.4 Rรฉalisation de contacts ohmiques sur diamant CVD
III.2.4.1 Contacts Ti/Pt/Au
III.2.4.2 Contacts Si/Al
III.2.4.3 Caractรฉrisations des contacts en tempรฉrature
III.2.4.4 Caractรฉrisation de la tenue mรฉcanique des contacts
III.2.5 Conclusion relative ร  la fabrication de contacts ohmiques
III.3 LA GRAVURE IONIQUE DU DIAMANT
III.3.1 Etat de lโ€™art
III.3.2 Expรฉriences
III.3.2.1 Gravure oxygรจne
III.3.2.2 La gravure Ar/O2
III.3.3 Conclusion relative aux รฉtudes sur la gravure du diamant
III.4 CONCLUSION
III.5 REFERENCES DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV : LE DIAMANT UTILISE POUR LA CONCEPTION DE COMPOSANTS UNIPOLAIRES โ€“ REALISATION DE DIODES SCHOTTKY
IV.1 LA LIMITE DU MATERIAU POUR LA CONCEPTION DE COMPOSANTS UNIPOLAIRES
IV.1.1 Principe du calcul
IV.1.2 Application au cas du diamant
IV.1.3 Effet de la tempรฉrature
IV.2 THEORIE ET MODELISATION DE LA DIODE SCHOTTKY
IV.2.1 Le contact Schottky
IV.2.1.1 Courant en direct
IV.2.1.2 Courant en inverse
IV.2.2 Modรฉlisation de la diode Schottky
IV.3 CONCEPTION ET MISE EN OEUVRE TECHNOLOGIQUE
IV.4 CARACTERISATIONS ELECTRIQUES
IV.4.1 Caractรฉristiques de la premiรจre sรฉrie de diodes
IV.4.2 Caractรฉristiques de la deuxiรจme sรฉrie de diodes
IV.5 CONCLUSION
IV.6 REFERENCES DU CHAPITRE IV
CONCLUSION

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