Growth and doping of heteroepitaxial 3C-SiC layers on α-SiC substrates using Vapour-Liquid-Solid mechanism

par Jean Carlos Da Conceicao Lorenzzi

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Gabriel Ferro et de Davy Carole.

Soutenue le 18-10-2010

à Lyon 1 , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Efstathios Polychroniadis.

Le jury était composé de Philippe Miele, Bruno Daudin.

Les rapporteurs étaient Didier Chaussende, Alix Gicquel.

  • Titre traduit

    La croissance et le dopage de couches 3C-SiC hétéroépitaxiales sur des substrats α-SiC en utilisant le mécanisme vapeur-liquide-solide


  • Résumé

    L'utilisation récente d'une voie originale de croissance cristalline basée sur les mécanismes vapeur-liquide-solide (VLS) à partir d'un bain Ge-Si a permis des améliorations importantes de la qualité cristalline des couches minces hétéroépitaxiales de SiC-3C sur substrats sur substrat α-SiC(0001). Ce travail a pour but d'approfondir les connaissances sur cette technique de croissance, d'améliorer le procédé et de déterminer les propriétés du matériau élaboré. La première partie est dédiée à la compréhension et la maîtrise des différents mécanismes impliqués dans la croissance de SiC-3C par VLS. Cela a notamment permis la détermination des paramètres limitant la taille des échantillons et la démonstration des avantages à utiliser des alliages fondus contant 50 at% de Ge au lieu de 75 at%. Une étude de la croissance latérale sur substrats patternés a donné des indications intéressantes pouvant être intégrées dans le modèle d'élimination des macles. L'incorporation intentionnelle et non intentionnelle de dopants de type n et p pendant la croissance VLS a été suivie. Pour le dopage n, nous avons démontré l'existence d'un lien clair entre l'impureté N et la stabilisation du polytype SiC-3C. En outre, nous avons réussi à abaisser le dopage résiduel n des couches en dessous de 1x1017 cm-3. Pour le dopage p, le meilleur élément n'est pas le Ga mais l'Al, même s'il doit être ajouté à un alliage de type Si-Ge pour éviter l'homoépitaxie. Enfin, ces couches ont été caractérisées optiquement et électriquement par différentes techniques. Les mesures C-V et G-V ont permis d'estimer une concentration très faible (7×109 cm-2) de charges fixes dans l'oxyde SiO2 ainsi qu'une densité d'états d'interface aussi basse que 1.2×1010 cm-2eV-1 à 0.63 eV sous la bande de conduction. Ces valeurs record sont une très bonne base pour le développement d'un composant de type MOSFET en SiC-3C


  • Résumé

    Recently, the use of an original growth approach based on vapour-liquid-solid (VLS) mechanism with Ge-Si melts has led to significant improvement of the crystalline quality of the 3C-SiC thin layers heteroepitaxially grown on α-SiC(0001) substrate. This work tries to deepen the knowledge of such specific growth method, to improve the process and to determine the properties of the grown material. The first part was dedicated to the understanding and mastering of the various mechanisms involved in 3C-SiC growth by VLS mechanism. This led to the determination of the parameters limiting sample size and the demonstration of the benefits of using 50 at% Ge instead of 75 at% Ge melts. A study of lateral enlargement on patterned substrates gave some interesting hints which can be integrated in the model of twin defect elimination. The incorporation of non intentional and intentional n- and p-type dopants during VLS growth was studied. For n-type doping, a clear link between N impurity and 3C polytype stability was demonstrated. Besides, high purity layers with residual n-type doping below 1x1017 cm-3 were achieved. For p-type doping, the best element was shown to be Al and not Ga, even if it has to be alloyed with Ge-Si melts to avoid homoepitaxial growth. Finally, these layers were characterised by several optical and electrical means like Raman spectroscopy, low temperature photoluminescence, deep leveltransient spectroscopy and MOS capacitors measurements. Very low concentrationsof fixed oxide charges estimated about 7×109 cm-2 and interface states densities Dit equal to 1.2×1010 cm-2eV-1at 0.63 eV below the conduction band have been achieved. These record values are a very good base toward 3C-SiC MOSFET

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