Thèse soutenue

Optimisation de l'épitaxie VLS du semiconducteur 4H-SiC : Réalisation de dopages localisés dans 4H-SiC par épitaxie VLS et application aux composants de puissance SiC

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Auteur / Autrice : Selsabil Sejil
Direction : Christian BrylinskiMihai Bogdan Lazar
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences des matériaux
Date : Soutenance le 29/09/2017
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
Jury : Président / Présidente : Edwige Bano
Examinateurs / Examinatrices : Christian Brylinski, Mihai Bogdan Lazar, Konstantinos Zekentes, Daniel Alquier, Emmanuel Collard
Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Blanquet, Sylvie Contreras

Résumé

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L'objectif du projet VELSIC a été de démontrer la faisabilité de jonctions p+/n- profondes dans le semiconducteur 4H-SiC, de haute qualité électrique, comprenant une zone p++ réalisée par un procédé original d'épitaxie localisée à basse température (1100 – 1200°C), en configuration VLS (Vapeur - Liquide - Solide). Cette technique innovante de dopage par épitaxie utilise le substrat de SiC mono cristallin comme un germe de croissance sur lequel un empilement enterré de Al - Si est porté à fusion pour constituer un bain liquide, lequel est alimenté en carbone par la phase gazeuse. Cette méthode se positionne comme une alternative avantageuse à l'implantation ionique, actuellement utilisée par tous les fabricants de composants en SiC, mais qui présente des limitations problématiques encore non résolues à ce jour. Les travaux de thèse ont exploré toutes les facettes du processus complet de fabrication de diodes de test, avec une attention particulière portée sur l'optimisation de la gravure de cuvettes dans le substrat SiC. Le cœur des travaux a été concentré sur l'optimisation de l'épitaxie VLS localisée. L'étude a confirmé la nécessité de limiter la vitesse de croissance vers 1 µm/h pour conserver une bonne cristallinité du matériau épitaxié. Elle a également mis en évidence l'action directe du champ électromagnétique radiofréquence sur la phase liquide, conduisant à une très forte influence du diamètre des cuvettes gravées sur l'épaisseur du SiC déposé. Un remplissage quasiment complet des cuvettes de 1 µm de profondeur à très fort dopage p++ a été démontré. À partir des couches VLS optimisées, des démonstrateurs de types diodes p+/n- ont été fabriqués. Sur les meilleurs échantillons, sans passivation ni protection périphérique, des tensions de seuil en régime direct (entre 2,5 et 3 V) ont, pour la première fois, été mesurées, sans recourir à un recuit haute température après épitaxie. Elles correspondent aux valeurs attendues pour une vraie jonction p-n sur 4H-SiC. Des densités de courant de plusieurs kA/cm2 ont également pu être injectées pour des tensions situées autour de 5 - 6 V. En régime de polarisation inverse, aucun claquage n'est observé jusqu'à 400 V et les densités de courant de fuite à faible champ électrique dans la gamme 10-100 nA/cm2 ont été mesurées. Toutes ces avancées si situent au niveau de l'état de l'art pour des composants SiC aussi simples, toutes techniques de dopage confondues