Croissance localisée par transport VLS d'hétéromatériaux pour des applications en électronique de puissance – V-LOC

Les substrats de diamants utilisés sont d’origine commerciale, soit réalisés par Haute Pression Haute Température, soit par Dépôt Chimique en Phase Vapeur (CVD). Avant la croissance épitaxiale de SiC, un travail important a été dédié à la préparation de la surface de diamant par un polissage visant à créer une surface lisse et désorientée, ou par le dépôt épitaxial d’une fine couche de diamant dopé bore ou intrinsèque par CVD assistée par plasma.
Pour déposer le SiC, nous avons utilisé la croissance par transport Vapeur-Liquide-Solide. Pour mettre en œuvre cette croissance, nous avons effectué le dépôt d’une bicouche Si-Al sur le substrat de diamant. Le craquage du propane introduit à haute température permet ensuite la dissolution du carbone qui en réagissant avec le liquide Al-Si donne du SiC-3C.
Les dépôts ont été caractérisés par diffraction de rayons X, microscopie optique laser, microscopie électronique à balayage et à transmission afin d’identifier la nature du dépôt et sa morphologie. Pour le dopage, nous avons effectué de la spectroscopie Raman. Les caractérisations électriques ont été constituées de mesures I-V.

La croissance hétéroépitaxiale localisée de SiC-3C sur diamant a été obtenue par transport VLS en générant au préalable un couche tampon de SiC par réaction à l’état solide entre une couche de silicium déposée thermiquement et le substrat diamant. Le dépôt n'est cependant pas couvrant et prend la forme d'ilots facettés. Nous avons mis en évidence la fragilité de cette couche tampon dont la stabilité doit être préservée en limitant la quantité de liquide. Cette couche est également le vecteur d’une exodiffusion de carbone du substrat vers le liquide. Les croissances effectuées sans l’utilisation de la couche tampon ont mené à la production d’un dépôt polycristallin dense de SiC-3C par un mécanisme de dissolution précipitation. L'aluminium présent dans la phase liquide apporte un fort dopage de type p du SiC déposé ce qui constitue une première avancée dans la mise en œuvre de contacts ohmiques localisés sur diamant par cette technique.
En nous inspirant de ce procédé de réalisation de couche tampon de SiC sur diamant, nous avons obtenus des résultats très prometteurs en utilisant une technique de dépôt plus classique (CVD) qui n’était pas prévue à l’origine du projet. De cette manière il a été possible d’obtenir des films de SiC-3C non dopés parfaitement couvrants et très bien orientés par rapport au substrat de diamant. Ceci constitue une avancée majeure car de tels films hétéroépitaxiés n’avaient jamais été obtenus sur diamant.

Les croissances effectuées par transport Vapeur-Liquide-Solide nous ont permis d’obtenir la formation d’un dépôt de carbure de silicium cubique localisé en surface du substrat. Afin d’obtenir une croissance hétéroépitaxiale nous avons formé une couche tampon de SiC (par réaction solide-solide entre une couche de Si et le diamant) avant de réaliser la croissance VLS. Ce dépôt est dopé p et constitue un contact ohmique sur diamant. Des résultats prometteurs ont également été obtenus pour l’hétéroépitaxie de SiC sur diamant en utilisant la technique CVD, ce qui a conduit à des films parfaitement couvrants et orientés bien que ceux-ci soient non-dopés. Cette technique devrait nous permettre d’étudier l’hétérojonction SiC(n)/diamant(p) et de contourner le problème de l’obtention du diamant dopé n rencontré lors de l’étude de jonctions pn à base de diamant

• Croissance de SiC sur diamant
A. Vo-Ha et al, Mater. Sci. Forum, Vols. 740-742 (2013) pp 331-334
A. Vo-Ha et al, Diam. & Relat. Mater., 35, (2013) pp 24-28
• Gravure du diamant par un catalyseur métal
H. Mehedi et al., Carbon, 59, (2013) 448-456
H-A. Mehedi, Nanotechnology, 23, 455302
• Influence de la désorientation du diamant sur la morphologie et la propagation des défauts.
M, Naamoun et al., Phys. Status Solidi A, 1-6 (2013)

Le transport VLS est un procédé de croissance cristalline faisant intervenir une phase solide (le substrat) en contact avec une phase liquide (le catalyseur) qui va réagir avec une phase gazeuse (le réactif) afin de former un dépôt à l’interface solide-liquide. C’est un procédé très utilisé depuis plusieurs années pour l’élaboration de nano-objets filamentaires. Par contre, il est beaucoup plus rare de l’utiliser pour la croissance épitaxiale de couches minces en raison des nombreuses difficultés techniques que cela engendre. Au sein des partenaires du projet, le procédé est bien maitrisé puisqu’il est étudié depuis 10 ans pour la croissance de couches minces épitaxiales de SiC. Dans ce cas, le substrat est un germe de SiC cristallin, le liquide est un alliage métal-Si et la phase vapeur est la source de carbone, par exemple C3H8. Le carbone libéré par le craquage du propane se dissout dans l’alliage liquide, diffuse jusqu’à l’interface solide-liquide et réagit avec le silicium du liquide pour former une couche mince épitaxiale de SiC. Parmi les avantages de cette approche nous pouvons citer :
- une croissance cristalline stable (régulée par le flux de gaz)
- un grande qualité cristalline car à partir d’une phase liquide
- à plus basses températures qu’avec les techniques plus conventionnelles comme la CVD.
- La possibilité d’obtention de forts dopages en choisissant judicieusement la phase liquide.
- La possibilité de croissance sélective (ou localisée).
Ce dernier point est celui qui nous semble avoir le plus fort potentiel et qui sera développé dans ce projet V-LOC. Le transport localisé par VLS est basé sur le fait qu’il ne peut y avoir croissance qu’en présence de liquide, et uniquement sous ce liquide. Ainsi, en formant des plots de liquide contenant du Si sur une surface, on pourra faire croître sélectivement du SiC aux endroits voulus
Dans ce projet, nous avons pour objectif d’appliquer le transport VLS à la croissance hétéroépitaxiale de semi-conducteurs à large bande interdite.
Par exemple, le dépôt localisé de SiC dopé p+ sur un substrat diamant nous semble prometteur afin d’améliorer les contacts ohmiques. L’application du procédé VLS avec un alliage liquide judicieux (Al-Si) devrait garantir l’obtention d’un dopage p+ et de la forte adhérence du dépôt, ce qui se traduirait par de bonnes caractéristiques électriques.
Concernant les contacts Schottky, nous étudierons également la possibilité d’utiliser le transport VLS localisé sur diamant dopé p au bore. Comme dans le cas des contacts ohmiques, nous tenterons de déposer le carbure de tungstène qui d'après la bibliographie permet d’obtenir des contacts Schottky de bonne qualité.
Enfin, nous prévoyons également d’appliquer la croissance localisée par transport VLS aux hétérostructures suivantes: SiC(n) sur Diamant (p), AlN(n) sur Diamant (p) et AlN sur substrat SiC. La croissance de SiC dopé n sera réalisée à partir d’alliages liquides Ge-Si alimentés à l’azote. La croissance d’AlN se fera en alimentant un alliage liquide à base d’Al avec de l’ammoniac NH3.
L’étude de ces différents systèmes nous permettra de mettre en lumière les différents atouts de la croissance VLS, à savoir une grande qualité de croissance cristalline obtenue à des températures plus basses que pour la CVD conventionnelle, mais surtout, concernant les systèmes étudiés, la possibilité d’effectuer un dopage du matériau de façon douce en utilisant la phase liquide durant la croissance.
Les partenaires de ce projet possèdent des compétences et connaissances très complémentaires sans lesquels le projet n’est pas réalisable. La rédaction de brevets sera envisagée si les résultats atteignent les espérances fixées.