TITLE : Properties of point defects either native or induced by irradiation in the 3C and 6H polytypes of silicon carbide determined by positron annihilation and EPR
Propriétés des défauts ponctuels natifs et induits par irradiation dans les polytypes 3C et 6H du carbure de silicium déterminées par annihilation de positons et RPE
Résumé
Potential applications of silicon carbide (SiC) in micro-electronics have justified many studies on point defects, which play an important role in the electrical compensation. Moreover, this material has many assets to take part in the fissile materials confining in the gas cooled reactors of the future (4th generation). In this thesis, we have used Electronic Paramagnetic Resonance and Positron Annihilation Spectroscopy to study the properties of point defects (nature, size, charge state, migration and agglomeration during annealing), either native or induced by irradiation with various particles (H+, e-, carbon ions), in the 3C and 6H polytypes of SiC. The positron annihilation study of native defects in 6H-SiC has shown the presence of a strong concentration of non-vacancy traps of acceptor type, which are not present in the 3C-SiC crystals. The nature of the defects detected after irradiation with low energy electrons (190keV) depends on the polytype. Indeed, while silicon Frenkel pairs and carbon monovacancies are detected in the 6H crystals, only carbon monovacancies are detected in the 3C crystals. We propose that these differences concerning the populations of detected point defects result from different values of the silicon displacement threshold energy for the two polytypes (approximately 20eV for 6H and 25V for 3C). In addition, the irradiations with 12MeV protons and 132MeV carbon ions have created silicon monovacancies as well as VSi-VC divacancies. Neither the particle (protons or ions carbon), nor the polytype (3C or 6H) influence the nature of the generated defects. Finally the study of the annealing of 6H-SiC monocrystals irradiated with 12MeV protons have revealed several successive processes. The most original result is the agglomeration of the silicon monovacancies with the VSi-VC divacancies which leads to the formation of VSi-VC-VSi trivacancies.
Les applications potentielles du carbure de silicium (SiC) en microélectronique ont motivé de nombreuses études sur les défauts ponctuels, qui jouent un rôle important dans la compensation électrique. Ce matériau possède en outre de nombreux atouts pour participer au confinement des matières fissiles dans les réacteurs à caloporteur gazeux du futur (4ème génération). Dans cette thèse, nous avons utilisé la Résonance Paramagnétique Electronique et la Spectroscopie d'Annihilation de Positons pour étudier les propriétés (nature, taille, état de charge, migration et agglomération sous recuit) des défauts ponctuels natifs et induits par irradiation avec différentes particules (H+, e-, ions carbone) dans les polytypes 3C et 6H de SiC. L'étude par annihilation de positons des défauts natifs dans 6H-SiC a permis de mettre en évidence une forte concentration de pièges non lacunaires de type accepteur, qui ne sont pas présents dans les cristaux 3C-SiC. La nature des défauts détectés après irradiation aux électrons de basse énergie (190keV) dépend du polytype. En effet, si des paires de Frenkel de silicium et des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 6H, seules des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 3C. Nous proposons que ces différences quant aux populations de défauts ponctuels détectés résultent de valeurs différentes des énergies de seuil de déplacement du silicium dans les deux polytypes (environ 20eV pour 6H et 25eV pour 3C). Par ailleurs, les irradiations avec des protons de 12MeV et des ions carbone de 132MeV créent des monolacunes de silicium ainsi que des bilacunes VSi-VC. Ni la particule (protons ou ions carbone), ni le polytype (3C ou 6H) n'influent sur la nature des défauts générés. Enfin l'étude du recuit de monocristaux 6H-SiC irradiés avec des protons de 12MeV a permis de mettre en évidence plusieurs processus successifs. Le résultat le plus original est l'agglomération des monolacunes de silicium avec les bilacunes VSi-VC qui mène à la formation de trilacunes VSi-VC-VSi.
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