Homoepitaxie et dopage de type n du diamant

Homoepitaxial growth and n-type doping of diamond

• Auteur / Autrice : Thierry François Kociniewski
• Direction : Jacques Chevallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière, milieux réactifs et méthodes de la modélisation
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphate de tributyle

Recuit thermique rapide

Semiconducteurs -- Dopage

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Diamant

Résumé

Ce travail a pour objectif d'étudier différentes voies susceptibles de conduire à un dopage reproductible de type n du diamant avec de bonnes propriétés électriques et cristallines. La première fut l’étude de couches homoépitaxiées de diamant dopé phosphore avec la mise en oeuvre d’une ligne de dopage issue de la technologie MOCVD sur notre bâti de croissance MPCVD. Cette ligne utilise un précurseur liquide stocké dans un bulleur. Le précurseur choisi a été la tertiarybutylphosphine, composé organique du phosphore. Une étude concernant l’influence de la température sur la croissance de films homoépitaxiés sur substrats orientés (111) a permis de montrer que, pour notre bâti, il existe un maximum d’incorporation en phosphore à 890°C et que, dans la gamme de températures [850-930°C], nos couches dopées au phosphore possèdent des propriétés électroniques à l’état de l’art sur le plan international : mobilités électroniques de 350 cm2/Vs pour [P]= 6x1017 cm-3. Nous avons établi pour la première fois la relation permettant de quantifier la concentration de phosphore à partir de l’intensité des excitons détectés par cathodoluminescence. Nous avons montré qu’un recuit sous vide à des températures autour de 900-1000°C de couches dopées phosphore fortement compensées entraîne une augmentation de la concentration d’électrons libres. Notre modèle propose la migration de défauts compensateurs X- suivie de la création de complexes inactifs (P,X). En supposant que la cinétique de formation des complexes (P,X) suit une loi du 1er ordre, nous avons conclu que l’énergie de migration de cette espèce compensatrice est de 3. 1 eV. Nous avons émis l’hypothèse que ce défaut est l’hydrogène incorporé pendant la croissance. Enfin, nous avons prolongé notre étude sur la conversion en type n de couches dopées bore suite à une deutération. Ce procédé permet d’obtenir des couches de conductivité électrique largement supérieure (facteur 103 à 105) à celle des meilleures couches de diamant de type n dopées au phosphore. Nous avons montré que l’effet de conversion est très probablement un effet de volume et que le mécanisme d’apparition de la conversion se fait en deux étapes : passivation des bore sur toute l’épaisseur de la couche puis création d’un excès de deutérium qui déclenche la conductivité de type n. La conversion n’est pas réalisée de façon homogène. Il sera donc nécessaire dans le futur d’établir quelles sont les caractéristiques des zones qui sont converties.

The objective of this work is the investigation of different ways to grow reproducible n-type diamond with good electrical and crystalline properties. First, we have grown homoepitaxial phosphorus doped layers with an implementation of a line issue from the MOCVD technology on our MWCVD reactor. This line uses a liquid precursor stored in a bubbler. This precursor was tertiarybutylphosphine, an organic compound of phosphorus. A study of the influence of the growth temperature of homoepitaxial films grown on (111) oriented substrates shows that, in our reactor, the phosphorus incorporation is maximum at 890°C and that, in the range [850-930°C], our phosphorus doped layers have electronic properties at the state of the art on the international level: electronic mobilities of 350 cm2/Vs for [P] = 6x1017 cm-3. The quantification relationship between the phosphorus concentration and the exciton intensities detected by cathodoluminescence has been established for the first time. We have shown that thermal annealings in the range 900-1000°C of highly compensated phosphorus doped layers increase the free electron concentration. Our model proposes the migration of compensating defects X- and the creation of inactive complexes (P,X). Assuming a first order kinetics of the complex formation (P,X), we have concluded that the migration energy of these compensating species is 3. 1 eV. We have proposed that this defect is hydrogen incorporated during the growth. Finally, we have extended our investigation on the n type conversion of boron doped layers under deuteration. With this process epilayers have electrical conductivities much higher (factor 103 to 105) than the conductivity of the best n type phosphorus doped layers. We have shown that the conversion effect is most probably a bulk effect and that the conversion mechanism is the result of a two step process: the passivation of boron in the whole thickness of the epilayers followed by the formation of a deuterium excess which triggers the n-type conductivity. The conversion is not carried out in a homogeneous way. In the future, it will be necessary to establish the characteristics of the converted zones.