Elaboration de films épais de diamant monocristallin dopé au bore par MPAVCD pour la réalisation de substrats de diamant P +

Growth of thick boron doped single crystal diamond by MPAVCD to be used as P+ diamond substrate

• Auteur / Autrice : Riadh Issaoui
• Direction : Jocelyn Achard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Croissance cristalline

Électronique de puissance

Semiconducteurs -- Dopage

Dépôt chimique en phase vapeur

Diamant -- Couches minces

Résumé

L’objectif principal de ce travail de thèse est la synthèse de films épais (>100 μm) de dia-mant monocristallin fortement dopés au bore permettant la fabrication de substrats de diamant et le développement de composants verticaux pour des applications en électronique de puissance. Dans un premier temps, l’effet des différents paramètres de croissance a été étudié. Il a ainsi été mis en évidence l’existence d’une fenêtre de DPMO (caractérisée par le couple pression/puissance) qui permet d’assurer un bon compromis entre qualité, vitesse de croissance et efficacité de dopage per-mettant la croissance de films de plusieurs centaines de micromètres. Ensuite, afin d’assurer un bon contrôle de la morphologie finale des cristaux, un modèle de croissance géométrique 3D développé au laboratoire, associé à des expériences de croissance dans un plasma H2/CH4/B2H6 a permis de montrer que les conditions déterminées précédemment entrainaient systématiquement l’apparition de faces indésirables (110) conduisant à la rupture du cristal. L’ajout de faibles quantités d’oxygène dans la décharge a permis d’interdire la formation de ces faces indésirables et de conserver l’intégrité du cristal, condition indispensable pour le développement de substrats permettant la réali-sation de composants électroniques verticaux. Enfin, des substrats CVD à différentes concentration ont été fabriqués et caractérisés par SIMS, FTIR, spectroscopie Raman et diffraction des rayons X haute résolution. Cette étude a ainsi montré l’excellente qualité cristalline des films réalisés y com-pris pour les dopages les plus élevés (>1020 cm-3 en bore). Des mesures de résistivité électriques ont par ailleurs montré que les substrats les plus dopés présentent des résistances suffisamment fai-bles pour être utilisés comme substrat pour des composants en électronique de puissance.

The main objective of this thesis is the synthesis of thick films (> 100 microns) of monocrystalline diamond heavily doped with boron for the manufacture of diamond substrates and the development of vertical components for applications in power electronics. At first, the effect of different growth parameters was studied. It was thus demonstrated the existence of a window of DPMO (characterized by the pressure torque / power) which ensures a good compromise between quality, speed of growth and doping efficiency per-putting film growth several hundred micrometers. Then, to ensure proper control of the final morphology of the crystals, a 3D geometric model of growth developed in the laboratory, together with growth experiments in a plasma H2/CH4/B2H6 showed that the conditions determined previously resulted systematically the appearance of undesirable side (110) leading to the breakdown of the crystal. The addition of small amounts of oxygen in the discharge allowed to prohibit the formation of these side reactions and to maintain the integrity of the crystal, a prerequisite for the development of substrates for the realization of electronic components vertical. Finally, CVD substrates at various concentrations were fabricated and characterized by SIMS, FTIR, Raman spectroscopy and X-ray diffraction resolution. This study has shown the excellent crystalline quality of the films includ-ing for the highest doping (> 1020 cm-3 boron). Electrical resistivity measurements have also shown that most doped substrates have sufficiently low resistance-able to be used as a substrate for power electronics components.