Optimisation d'un procédé de dépôt plasma micro-onde pour l'élaboration de substrats de diamant fortement dopés au bore

Optimization of a microwave plasma CVD process for the preparation of highly boron doped diamond substrates

• Auteur / Autrice : Amine Boussadi
• Direction : Jocelyn Achard, Alix Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genies des procédés
• Date : Soutenance le 22/09/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Sorbonne Paris Nord (Bobigny, Villetaneuse, Seine-Saint-Denis ; 1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Cartry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Amiet, Alexandre Tallaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Chaussende, Samuel Saada

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les cristaux

Diamant -- Couches minces

Bore

Plasmas microondes

Mots clés libres

Diamant microcristallin

Réacteur MPACVD

Microcrystalline diamond film

MPACVD reactor

Boron doping

Résumé

L’objectif principal de ce travail de thèse a été l’optimisation des conditions de croissance du diamant dans un réacteur MPACVD afin d’une part, obtenir des films de diamant monocristallin à faible densité de dislocations, condition sine qua none pour une utilisation dans le domaine de l’électronique de puissance et, d’autre part, synthétiser des films épais (>100 μm) de diamant monocristallin intrinsèque et fortement dopés au bore sur substrats orientés (111), orientation cristalline connue pour favoriser la formation de macles. Dans une première partie, nous avons développé un procédé d’infléchissement et de confinement desdislocations en utilisant des substrats en forme de pyramide orientés (100) et en déterminant des conditions de croissance bien particulières. Cette étude innovante et originale a permis de lever plusieurs verrous scientifiques et technologiques qui ouvrent la voie à la réalisation de films de diamant monocristallin à faible densité de défauts. Dans une deuxième partie, l’effetdes différents paramètres de croissance a été étudié, afin d’optimiser notre procédé de croissance sur orientation (111). Il a ainsi été mis en évidence l’existence d’une fenêtre de couple pression/puissance micro-onde, température et concentration en méthane qui permettent d’assurer un bon compromis entre qualité cristalline et vitesse de croissance, permettant la synthèse de films épais de diamant fortement dopé au bore sur cette orientation ouvrant ainsi la possibilité de combiner l’efficacité de dopage de type n et la réalisation de composants bipolaires verticaux pour des applications en électronique haute tension-hautetempérature.

The main objective of this PhD thesis is the optimization of diamond growth conditions in a MPACVD reactor in order to one hand, synthesize single crystal diamond films with low dislocation density, prerequisite to their use in the field of power electronics and on the other hand, synthesize thick intrinsic and boron doped monocrystalline diamond films (>100 microns) on (111)-oriented substrates, crystallographic orientation which is well known to promote twinning. In a first part, a process of inflection and confinement of the dislocations has been developed using (100) pyramidal shape substrates coupled with specific growth conditions. This innovative and original study open the way for the fabrication of single crystal diamond films with low defect density. In a second part, the effect of different growth parameters has been studied to optimize our growth process for (111) orientation. It was thus demonstrated the existence of a narrow window of growth parameters pressure, microwavepower, temperature and methane concentration which ensures a good trade-off between crystalline quality and growth rate, allowing the synthesis of heavily boron-doped diamond thick films on this specific orientation, thus opening the possibility of combining the n-type doping efficiency and achieving vertical bipolar components for applications in hightemperaturehigh-voltage electronics.