« Etude et Réalisation de jonctions p/n en diamant »

Céline Tavares (1)

1 LEPES - Laboratoire d'Etudes des Propriétés Electroniques des Solides

In order to achieve single crystalline {111} diamond p/n junction, studies of Ib diamond substrate, n-type and p-type CVD diamond epilayers were carried out.
Surface and internal defects of the diamond bulk substrates were optically studied using Nomarski microscope, AFM and X-Ray measurements. In particular, the polishing defects of the diamond substrate were shown to be able to damage the crystalline quality of the CVD films.
A Reactive Ion Etching pre-treatment of the substrate surface was performed before the growth in order to remove the defects induced by mechanical polishing. Sets of phosphorus-doped samples simultaneously grown on substrates without and with RIE pre-treatment were optically analysed and characterized using cathodoluminescence and Hall Effect measurements. The positive effect of the substrate surface etching on the optical and electrical quality of diamond layers was proved with the decrease of Band A emission related to dislocations and the increase of the low field Hall mobility for the pre-treated sample. Experimental data of the electron mobility were compared with theoretical calculations based on the relaxation time approximation allowing us to determine the impurities and phonon scattering mechanisms and the acoustic deformation potential of diamond close to 17.7 eV. The maximum value of the Hall mobility achievable at thermodynamical equilibrium in n-type diamond was determined. A temperature dependence of a new scattering was proposed for the untreated sample.
The crystalline, optical and electronic properties of CVD {111} diamond thin films with boron ranging from 8x1015 cm-3 to 3x1021 cm-3 were studied as a function of boron incorporation measured by SIMS.
Finally, two diamond p/n junctions, one deposited on heavy boron-doped substrate, the other grown upon an insulating RIE pre-treated substrate were prepared. I(V), cathodoluminescence, electroluminescence and EBIC measurements of each diamond diode were carried out, compared and discussed.

Dans le but de réaliser des jonctions p/n monocristallines en diamant orienté selon {111}, des études ont été menées sur le substrat de diamant et sur les couches de diamant CVD dopées de type n au Phosphore et de type p au Bore.
Les défauts de surface et internes au substrat de diamant ont été analysés par des observations optiques, des mesures AFM et par des mesures en diffraction de rayons X. Les défauts dus au polissage de la surface du substrat ont en particulier été identifiés comme pouvant détériorer la qualité cristalline des couches CVD.
Un prétraitement par gravure RIE de la surface du substrat avant la croissance a été utilisé dans le but de supprimer les défauts induits par le polissage mécanique. Des paires d'échantillons dopés phosphore simultanément homoépitaxiés sur substrats non traités et prétraités RIE ont été caractérisées par cathodoluminescence et effet Hall. L'efficacité de la gravure de la surface du substrat a été prouvée par la diminution de l'émission de bande A reliée aux dislocations et par l'augmentation de la mobilité électronique de Hall pour les échantillons prétraités. Les données expérimentales ont été comparées à un modèle de mobilité basé sur l'approximation du temps de relaxation permettant de mettre en évidence la dépendance en température des différents modes de diffusion par les impuretés et les phonons ainsi que la détermination du potentiel de déformation acoustique du diamant de 17.7 eV. La valeur maximum de mobilité électronique possible à l'équilibre thermodynamique a ainsi pu être déterminée. Un nouveau mode de diffusion a été mis en évidence pour les échantillons non traités.
Les propriétés cristallines, optiques et électroniques d'une série de couches minces diamant CVD {111} couvrant une large gamme de dopage de 2x1015 à 3x1021 atomes de bore par cm3 ont été examinées en fonction de l'incorporation d'atomes dopants mesurés par SIMS.
Deux jonctions p/n, l'une réalisée sur un substrat fortement dopé bore, l'autre sur un substrat non dopé ont finalement été réalisées. Les caractéristiques I(V), les spectres de cathodoluminescence et d'électroluminescence et les résultats d'EBIC ont été comparés puis discutés.

Mots clés: Couches minces diamant MPCVD dopage effet Hall cathodoluminecence

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Céline Tavares. « Etude et Réalisation de jonctions p/n en diamant ». Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00201822⟩