Diamant de type-n par dopage (bore,deutérium) – DOPEN

1- contexte scientifique et objectifs du projet 2- description du projet, méthodologie 3- résultats attendus L'objectif est de maîtriser le dopage de type n du diamant. Le diamant étant considéré comme le matériau semi-conducteur ultime, ce développement permettrait d'ouvrir une nouvelle génération de composants électroniques, ainsi que des applications nouvelles pour la fabrication de dispositifs et de capteurs pour l'environnement (ex: réduction des nitrates des eaux polluées). Le dopage n de couches de diamant homoépitaxiées sur substrats synthétiques monocristallins a été réalisée pour la première fois en 1998 en utilisant le phosphore. Ce donneur présente les inconvénients d'être à la fois profond (0.6 eV) et de solubilité limitée à 5x1019 cm-3. La faible concentration d'électrons libres (1011 à 1012 cm-3 à 300 K) qui en résulte limite son utilisation aux hautes températures (>600°C). Depuis 2000, on assiste donc, dans le cas du diamant mais aussi d'autres semiconducteurs unipolaires à grand gap, à une activité relativement forte sur la recherche de dopants multi-atomes qui, par interactions entre ces atomes, conduisent à des complexes dopants peu profonds. C'est dans cette optique que nous proposons le présent projet. Une nouvelle voie de dopage n du diamant à base de complexes bore-deutérium a en effet été découverte par l'équipe du GEMaC (ex-LPSC) en 2002 (dépôt d'un brevet avec extension internationale). Elle ouvre de nouvelles perspectives car ce complexe donneur est deux fois moins profond que le phosphore. Nous avons déjà montré qu'il pouvait fournir des concentrations d'électrons libres allant jusqu'à 2x1019 cm-3 à 300 K. Etant donné que les nouveaux donneurs sont des complexes à base de bore et de deutérium, on peut raisonnablement s'attendre à ce que leur concentration maximum soit la limite de solubilité du bore dans le diamant soit 5x1021 cm-3. Toutefois la compréhension des phénomènes physiques conduisant à l'apparition des nouveaux donneurs reste insuffisante à ce jour pour assurer une maîtrise et à terme une reproductibilité de ce nouveau dopage. Le projet vise donc à comprendre l'origine du nouveau dopage (B,D) de façon à le contrôler : définir les conditions de formation des nouveaux donneurs, identifier de manière non ambiguë ces donneurs et connaître leur stabilité. A partir de ces conclusions, nous pourrons évaluer les potentialités de ce dopage pour la fabrication de dispositifs électroniques et électrochimiques. Pour atteindre cet objectif, le projet regroupe les principaux acteurs nationaux du domaine : deux partenaires académiques (CNRS-Université : GEMaC et LEPES) et un laboratoire semi-public (CEA). Le CEA posséde un fort potentiel expérimental de croissance du diamant en couches minces ainsi qu'une solide expérience dans ce domaine. Un de ses réacteurs MPCVD sera dévolu au programme. Le LEPES et le GEMaC apporteront leur savoir-faire sur la deutération et la conversion. L'ensemble des 3 laboratoires bénéficiera d'un large parc d'outils complémentaires de caractérisation physiques et physico-chimiques. Le consortium collaborera étroitement avec un groupe de théoriciens du LEPES qui calculeront les propriétés physiques des différents complexes possibles à base de bore de deutérium. Ce projet fera l'objet de plusieurs collaborations internationales fortes dont certaines ont débuté il y a plusieurs années.