Etude optique et structurale du dopage Vanadium de SiC : de l'électronique de puissance aux qubits

Optical and structural study of Vanadium doped SiC: From power electronics to qubits

• Auteur / Autrice : Harmke Van dijk
• Direction : Olivier Briot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Physique Appliquée

Mots clés

Mots clés libres

SiC

Dopage Vanadium

Polytypes

Optique

Semiconducteurs

Optics

SiC

Polytypes

Semiconductors

Vanadium doping

Résumé

Le dopage Vanadium de semi-conducteurs à grand gap a initialement été étudié dans le but de rendre ces matériaux semi-isolants. Ce point reste toujours critique pour la réalisation de transistors destinés aux très fortes puissances qui sont d'autant plus nécessaires avec le développement des véhicules électriques. Dans ce domaine, sont essentiellement concernés le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC)[1,2]. D'autre part, nombre d'autres applications ont émergé plus récemment dans les domaines de la détection de gaz, de l'imagerie médicale, du nucléaire (détecteurs de rayonnement ionisants), et de la fabrication de qubits et de sources à 1 photon (le défaut V dans SiC ayant un temps de cohérence de spin long et une résistance à la décohérence [2,3,4]. Dans le réseau du SiC, le Vanadium se place généralement en site silicium. Suivant les polytypes de SiC (4H, 6H, 3C) le site Si a un environnement hexagonal et/ou cubique. Le Vanadium, en fonction de la position du niveau de Fermi peut se trouver à l'état V3+, V4+ ou V5+. Ces différentes possibilités donnent lieu dans l'infrarouge (IR) à des transitions optiques intra-atomiques de nature et de caractéristiques différentes. Bien que plusieurs groupes internationaux aient travaillé dans ce domaine, de nombreuses questions restent à éclaircir. Du point de vue de la physique fondamentale, nous pouvons citer : (i) la nature exacte des transitions (multiplets séparés par le spin et le champ cristallin) en fonction des polytypes, des sites occupés et des états de configuration électroniques du Vanadium (liés à son état de charge), (ii) l'étude des durées de vie (longues, en général) des recombinaisons radiatives et (iii) le mécanisme de transfert de l'excitation de la matrice semiconductrice à l'atome de Vanadium, qui été très peu étudié à ce jour et reste très mystérieux. il. D'un point de vue technologique, il y a une influence forte du dopage Vanadium sur l'état cristallin du SiC qui se traduit par une modification importante de la vitesse de croissance avec le dopage V – ce qui est assez inédit – et la génération de polytypes non souhaités (3C dans le 4H). L'orientation du substrat, qui peut être « on-axis » ou désorienté 4° off, joue alors un grand rôle. Le travail de thèse consistera à étudier ces phénomènes en lien avec les conditions de croissance pour optimiser le résultat en fonction des applications visées. Les techniques expérimentales de spectroscopie à mettre en œuvre sont la photoluminescence, l'excitation de photoluminescence et la transmission optique. Ces études seront conduites dans le domaine IR entre 1 et 2 µm, mais aussi dans l'UV pour étudier la modification des transitions de bord de bande du SiC et à des températures comprises entre 4K et 300K. Les investigations structurales se feront par spectroscopie Raman résolue spatialement et diffraction des rayons X haute résolution. Ce travail se place dans le contexte d'un contrat ANR (VanaSiC – débuté Janvier 2023, 48 mois) impliquant deux équipes distinctes du L2C. Dans ce projet, le SiC « on-axis » doit être dopé Vanadium pour le rendre semi-isolant dans le but d'y déposer du graphène. Ce financement, ainsi que le soutien du L2C, nous a permis de compléter nos équipements (nouveau cryostat, laser UV continu de puissance…) pour mener à bien ces études. Certains partenaires de VanaSiC (NovaSiC et CRHEA) sont en charge de l'élaboration par CVD des échantillons de SiC (4H, 6H ou 3C) dopé Vanadium, sous différentes conditions de dépôt et de dopage.

The doping of wide-bandgap semiconductors with vanadium was initially studied with the aim of making these materials semi-insulating. This aspect remains critical for the realization of transistors intended for very high powers, which are increasingly necessary with the development of electric vehicles. In this field, gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC) are primarily involved. Furthermore, numerous other applications have emerged more recently in the fields of gas sensing, medical imaging, nuclear (ionizing radiation detectors), and the fabrication of qubits and single-photon sources (the V defect in SiC having a long spin coherence time). In the SiC lattice, vanadium generally occupies silicon sites. Depending on the SiC polytypes (4H, 6H, 3C), the Si site has a hexagonal and/or cubic environment. Vanadium, depending on the position of the Fermi level, can exist in the V3+, V4+, or V5+ states. These different possibilities result in infrared (IR) intra-atomic optical transitions of different natures and characteristics. Although several international groups have worked in this field, many questions remain to be clarified. From the standpoint of fundamental physics, we can mention: (i) the exact nature of the transitions (multiplets separated by spin and crystal field) depending on polytypes, occupied sites, and electronic configuration states of vanadium (related to its charge state), (ii) the study of the (generally long) lifetimes of radiative recombinations, and (iii) the mechanism of transferring excitation from the semiconductor matrix to the vanadium atom, which has been very little studied to date and remains mostly mysterious. From a technological standpoint, there is a significant influence of vanadium doping on the crystalline state of SiC, resulting in a significant modification of growth rate with V doping - which is quite unprecedented - and the generation of unwanted polytypes (3C in 4H). The substrate orientation, which can be 'on-axis' or 4° off-axis, then plays a significant role. The thesis work will consist of studying these phenomena in relation to growth conditions to optimize the result for the intended applications. The experimental spectroscopic techniques to be implemented include photoluminescence, photoluminescence excitation, and optical transmission. These studies will be conducted in the IR range between 1 and 2 µm, as well as in the UV to investigate the modification of SiC band-edge transitions, and temperatures ranging from 4K to 300K. Structural investigations will be carried out by spatially resolved Raman spectroscopy and high-resolution X-ray diffraction. This work is part of an ANR contract (VanaSiC - started January 2023, 48 months) involving two distinct teams from L2C. In this project, 'on-axis' SiC must be vanadium-doped to make it semi-insulating for graphene deposition. This funding, along with support from L2C, has allowed us to complete our equipment (new cryostat, continuous UV laser power, etc.) to carry out these studies. Some partners of VanaSiC (NovaSiC and CRHEA) are responsible for the CVD fabrication of vanadium-doped SiC samples (4H, 6H, or 3C) under various deposition and doping conditions.