Growth of thick and widened high quality boron doped single crystal diamond : investigation and reduction of extended defects for the optimization of high power devices for a clean energy transition

Croissance de diamant monocristallin épais et élargi de haute qualité dopé au bore : étude et réduction des défauts étendus pour l'optimisation des dispositifs de haute puissance pour une transition énergétique propre

• Auteur / Autrice : Ken Axxel Castillo Arvizu
• Direction : Jocelyn Achard, Riadh Issaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Isoird, Xavier Duten
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Chaussende, Samuel Saada

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant

Épitaxie

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Dépôt chimique en phase vapeur

Dislocations dans les métaux

Mots clés libres

Diamant fortement dopé au bore

Croissance latérale

Homoépitaxie

Heavily boron doped diamond

Lateral growth

Homoepitaxy

Résumé

Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse ont porté sur la synthèse de films de diamant monocristallin épais, dopés au bore et de haute qualité cristalline en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes (MPACVD). Le diamant, matériau semi-conducteur à grand gap et reconnu pour ses propriétés exceptionnelles notamment dans le domaine de l'électronique de puissance, permet le développement de composants aux propriétés prometteuses en termes de densité de courant, de tenue en tension et de fonctionnement à température élevée. Par ailleurs, la possibilité de faire croître des films épais fortement dopés au bore a ouvert la voie à la réalisation de composants verticaux tout-diamant. Néanmoins le manque de disponibilité de substrats monocristallins de taille supérieure à 4x4 mm² avec des densités de défauts étendus relativement faibles freine encore son développement. Les objectifs de ce travail étaient de développer des stratégies de croissance permettant de limiter, voire réduire les densités de dislocation et d’augmenter la taille des substrats de diamant. Les résultats obtenus suggèrent que la croissance d'une couche p+ directement sur un substrat HPHT avant le dépôt de la couche active p- permet d'améliorer la qualité cristalline en induisant des niveaux de contrainte qui limitent la propagation des dislocations et conduit à une amélioration globale de la qualité du matériau. Nos travaux ont également permis de réaliser des avancées significatives dans le développement de techniques de croissance latérale conduisant à un élargissement notable de la taille des substrats fortement dopés au bore. Ces conditions de croissance ont pu être utilisées de manière à infléchir la direction de propagation des dislocations comme cela avait déjà été fait dans du diamant intrinsèque et elles ont permis de mettre en évidence l'importance du choix du substrat et aussi le rôle important de l'oxygène en phase gazeuse.

The research conducted during this thesis focused on the synthesis of thick, boron-doped monocrystalline diamond films of high crystalline quality using a Microwave Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition (MPACVD) process. Diamond, a wide bandgap semiconductor known for its exceptional properties, especially in the field of power electronics, allows for the development of components with promising properties in terms of current density, voltage endurance, and high-temperature operation. Moreover, the ability to grow thick films heavily doped with boron has paved the way for the creation of all-diamond vertical components. However, the limited availability of monocrystalline substrates larger than 4x4 mm² with relatively low extended defect densities still hinders its development. The objectives of this work were to develop growth strategies to limit or even reduce dislocation densities and increase the size of diamond substrates. The results suggest that growing a p+ layer directly on an HPHT substrate before depositing the active p- layer improves the crystalline quality by inducing stress levels that limit dislocation propagation, leading to an overall enhancement in material quality. Our work also achieved significant advancements in the development of lateral growth techniques, resulting in a notable expansion of the size of heavily boron-doped substrates. These growth conditions were used to influence the direction of dislocation propagation, as had already been done in intrinsic diamond, and highlighted the importance of substrate choice and the significant role of oxygen in the gas phase.