Croissance localisée par transport VLS de carbure de silicium sur substrats SiC et diamant pour des applications en électronique de puissance

Localized growth of silicon carbide by VLS transport on SiC and diamond substrates for power electronics devices

• Auteur / Autrice : Arthur Vo-Ha
• Direction : Gabriel Ferro, Davy Carole
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 05/02/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Brylinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Wouters, Emmanuel Collard, Mihai Bogdan Lazar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jocelyn Achard, Marcin Zielinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Silicium -- Substrats

Épitaxie

Diamant

Mots clés libres

SiC

Diamant

Épitaxie

VLS localisée

Dopage p

SiC

Diamond

Epitaxy

Localised VLS

P-type doping

Résumé

La croissance localisée de SiC dopé p par un mécanisme Vapeur-Liquide-Solide (VLS) a été effectuée sur substrats SiC-4H (0001) 8°off et diamant (100). Pour ce faire, des motifs constitués d'un empilement silicium-aluminium sont fondus puis alimentés en propane. Dans le cas de l'homoépitaxie de SiC-4H, il a été démontré que la quantité limitée de phase liquide initiale entraine une évolution constante des paramètres de croissance en raison de l'appauvrissement graduel en silicium. Il est toutefois possible de trouver des conditions de croissance satisfaisantes (alliage contenant 40 at% Si, 1100 °C) résultant en un dépôt conforme sur l'ensemble des motifs avec une morphologie step-bunchée. A partir de tels dépôts, des contacts ohmiques de très faible résistivité (jusqu'à 1,3.10-6 Ω.cm2) ont été mesurés et des diodes PiN ont été fabriquées et caractérisées. Dans le cas de la croissance de SiC sur diamant, la forte réactivité entre l'alliage Si-Al liquide et le substrat diamant conduit à la formation d'un dépôt dense et polycristallin de SiC-3C par un mécanisme de dissolution-précipitation. Nous avons montré que la formation préalable d'une couche tampon nanométrique de SiC par siliciuration du substrat de diamant (réaction solide-solide entre une couche de Si et le diamant) permet d'obtenir une croissance épitaxiale de SiC-3C en ilots, avec les relations [110] SiC // [110] diamant et (100) SiC // (100) diamant. Il n'a cependant pas été possible de former une couche complète et épitaxiale de SiC sur diamant par VLS localisée. Nous avons toutefois montré que cela est réalisable par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en utilisant la même étape de siliciuration

The localized growth of p-doped SiC by Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism was made on (0001) 8°off 4H-SiC and (100) diamond substrates. A silicon-aluminium stacking, localized on top of the substrate, is used after melting as the liquid phase for the growth, carbon being brought by the propane of the gas phase. Regarding the homoepitaxial growth of 4H-SiC, the limited amount of liquid phase leads to a significant consumption of silicon during the growth which is responsible for a continuous variation of the growth parameters. Satisfying growth conditions can therefore be found (40 at% Si alloy, 1100 °C) leading to the formation of a step-bunched layer on the initial Si-Al patterns. Very Low resistivity ohmic contacts (as low as 1.3x10-6 Ω.cm2) and PiN diodes were successfully fabricated from these deposits. Regarding the SiC growth on diamond, the high reactivity between the Si-Al liquid alloy and the diamond substrate leads to the polycrystalline growth of 3C-SiC by a dissolution-precipitation mechanism. It is thus necessary to use a SiC buffer layer in order to achieve an epitaxial growth. This buffer layer, grown by a solid-solid reaction between silicon (deposited by CVD) and the diamond called silicidation, favors the epitaxial growth of 3C-SiC ([110] SiC // [110] diamond and (100) SiC // (100) diamond) during the later VLS growth. Considering the 3D growth mechanism that takes place the formation of a single-crystalline layer from these epitaxial islands seems difficult. Such single-crystalline layer can be achieved using chemical vapor deposition (CVD) after the silicidation step of the diamond substrates