Incorporation d'azote et stabilité des polytypes de la croissance en phase gazeuse de monocristaux de SiC

Nitrogen incorporation and polytype stability of SiC single crystal growth from the vapor phase

• Auteur / Autrice : Nikolaos Tsavdaris
• Direction : Didier Chaussende, Eirini Sarigiannidou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 06/01/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Michel Pons
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Chaussende, Eirini Sarigiannidou, Alexandre Tallaire, Nathalie Valle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gabriel Ferro, Toru Ujihara

Mots clés

Mots clés contrôlés

Azote

Carbure de silicium

Semiconducteurs -- Dopage

Mots clés libres

Cristallogenese

Physical vapor transport

Dopage

SiC

Azote

Polytype

Crystal growth

Physical vapor transport

Doping

SiC

Nitrogen

Polytype

Résumé

Le carbure de silicium est l'un des semi-conducteurs les plus importants et les plus répandus dans les appareils électroniques de puissance. Du fait de la demande croissante d'électronique à haut rendement, bas coût et économe en énergie, il est nécessaire d'améliorer les propriétés des semi-conducteurs monocristallins. Cela demande une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans le procédé de croissance de ces matériaux. Cette thèse présentera de nouvelles perspectives sur deux sujets majeurs dans le domaine de la croissance en phase gazeuse de monocristaux de SiC. Dans un premier temps, le procédé de croissance utilisé dans notre laboratoire a été développé dans le but d'améliorer la qualité et la taille des cristaux de SiC obtenus. Une géométrie permettant la croissance sans contact et reproductible de monocristaux de SiC a été obtenue. La nucléation et la propagation des instabilités structurelles (inclusions de polytype étranger) apparaissant lors de la croissance ont été étudiés de façon continue. Deux critères spécifiques doivent être réunis pour qu'un polytype étranger puisse nucléer. Une fois le point de nucléation localisé, la propagation du polytype étranger dans le volume du cristal peut être appréhendée. Lorsque la stabilisation et déstabilisation des polytypes de SiC ont été mieux comprises, une tentative a été faite pour stabiliser la croissance du polytype 15R-SiC. L'objectif final, les paramètres de croissance susceptibles de renforcer la croissance préférentielle de 15R-SiC, a été mis en évidence. Enfin, l'incorporation d'azote pendant la croissance en phase gazeuse de monocristaux a été étudiée. En effet, aucune description détaillée n'existe pour l'incorporation d'azote dans le SiC, bien que ce soit le dopant le plus couramment utilisé. Notre contribution à cet effort porte sur l'étude de la concentration d'azote dans les cristaux obtenus en fonction de différents paramètres de croissance. Compte tenu des mécanismes d'adsorption/désorption à la surface de croissance, un effort a été fait pour expliquer les tendances obtenues expérimentalement.

Silicon Carbide is one of the most important and widely used semiconductors for power electronic devices. Due to the increasing demand for high efficiency, low cost and energy saving electronics, further improvement of the properties of single crystal semiconductors is needed. That requires a better understanding of the phenomena involved in the growth process of these materials. This thesis will bring some new insight into two main topics at the field of SiC bulk growth from the vapor phase. Initially, the growth process used in our laboratory was developed in order to improve the quality and the size of the grown SiC crystal. A geometry that allows the contactless and reproducible growth of SiC single crystals was obtained. Continuously, we investigated the nucleation and propagation of structural instabilities (foreign polytype inclusions) that appear during growth. Two specific criteria must be fulfilled for a foreign polytype to be nucleated. Once the nucleation point is located, the propagation of the foreign polytype in the volume of the grown crystal can be comprehended. Once the stabilization or destabilization of the SiC polytypes was better perceived, an attempt was made to stabilize the growth of the 15R-SiC polytype. As a final objective, the growth parameters that could preferentially enhance the growth of the 15R-SiC are highlighted. Last, nitrogen incorporation during bulk growth from the vapor phase was studied. Indeed as the most commonly used dopant, no full description exists for the incorporation of nitrogen in SiC. We contribute to this effort by exploring the nitrogen concentration in the grown crystals as a function of various growth parameters. Considering the adsorption/desorption mechanisms at the growing surface, effort was given to explain the experimentally obtained trends.