Diodes pin de diamant (113) – LAPIN113

Pour fabriquer des diodes PIN en diamant (113), efficaces et de grande surface, un procédé de croissance sera développé et les acquis de l'orientation (100) seront transposés/optimisés à l'orientation (113). Le défi est de faire croître, sur des substrats (113), des couches successives de types/dopages différents. Une dernière couche surdopée sera déposée pour obtenir des contacts ohmiques de faible résistance. L'optimisation des couches p/i/n et des contacts électriques permettra de limiter l'état passant de la diode. Trois étapes sont à optimiser.

1) Substrats

La surface initiale influe sur la formation/propagation de défauts dès la première étape d’épitaxie. Un prétraitement des substrats par gravure ionique, initialement développé pour les plans (100), sera transposé/optimisé sur (113) afin de réduire la densité de défauts de la première couche déposée. Les substrats (113) (disques de ~ 2 mm) sont fabriqués à partir de substrats (100) (pavés de 3×3 mm²). À partir d'un modèle cristallographique 3D, la forme optimale du substrat (113) permettant de minimiser les pertes de matière sera déterminée et validée expérimentalement. Les homoépitaxies (113) d'épaisseur supérieure à 2 mm seront découpées en plaques autosupportées de 0,5 mm d'épaisseur, utilisables comme substrat.

2) Croissances successives

Pour approfondir les connaissances de l'épitaxie du diamant (113), des études paramétriques de croissance seront réalisées. Une approche modélisation–expérimentation permettra d’identifier les conditions menant à une expansion maximale de la surface (113) et une incorporation homogène du bore. Les paramètres optimisés serviront à la croissance de couches épaisses type p, à la base des empilements des futures diodes PIN.

Des traitements et procédés seront déterminés pour contrôler la concentration de dopants et la netteté des interfaces entre couches, et minimiser les défauts qui impactent les performances des diodes. La simulation de la diode nécessitant un fichier de paramètres et des modèles de semi-conducteurs sur une large gamme de températures, les paramètres physiques extraits de l'étude des homoépitaxies seront implémentés dans une plateforme TCAD afin de définir les dopages et épaisseurs de chaque couche, en fonction des performances électriques visées.

3) Contacts ohmiques faiblement résistifs

Les contacts ohmiques constituent un élément essentiel dans la fabrication des composants. Leur sa résistance doit être la plus faible possible. Sur les couches de diamant (100) de type p, leur fabrication est bien maîtrisée. L’obtention de contacts ohmiques sur du diamant (113) de type p ne devrait pas poser de difficulté pour un dopage élevé au bore. Par contre, la réalisation de contacts ohmiques sur diamant de type n est une étape technologique complexe. Le dopage in situ est actuellement la seule technique disponible sur l'orientation (100). Il faudra évaluer s’il en est de même sur l’orientation (113) et atteindre un dopage élevé in situ.

Dans LAPIN113, une procédure de gravure, mise au point sur substrats commerciaux, a été testée sur des substrats repolis. Comme aucune amélioration a été observée par les techniques de caractérisation disponibles, cette procédure n’a pas été imposée à la préparation des substrats avant croissance.

Pour le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (MPCVD), LAPIN113 a montré la possibilité de synthétiser des couches de diamant (113) dopées au phosphore dans un réacteur commercial à haute densité plasma. Pour maximiser la surface (113) des homoépitaxies de type p+ homogènes en bore, des conditions MPCVD ont été déterminées menant à une densité de dislocation variant entre des zones avec/sans dislocations et où le bore influe sur la relaxation et la stabilisation morphologique. LAPIN113 valide les stratégies de croissance des couches épaisses de diamant (113) de type p ou n (>10 µm), l'augmentation de la taille initiale du substrat, la réalisation des plaques autosupportées p+ et l'accès à une large gamme de dopage (10¹⁵-2x10²⁰ at/cm³).

Pour évaluer la résistivité de contact sur du diamant p+ (113), des motifs TLM ont été réalisés grâce au transfert de procédés de fabrication développés sur diamant (100), comme les dépôts diélectriques et la gravure, consolidant la base technologique nécessaire à la fabrication de diodes diamant (113). Les résistivités (~ mΩ·cm) sont compatibles avec les empilements envisagés. Toutefois, la résistance carrée, plus élevée que prévu, diminue avec la température, laissant suspecter une faible mobilité des charges.

Pour la réalisation de contacts ohmiques sur diamant de type n, une procédure en 15 étapes, sur plusieurs jours de travail, a été mise au point. Elle permet la conception par lithographie de petits motifs (< 300 µm) sur de petits échantillons (carrés ou disques d'environ 2 mm de côté). Le Titane a été choisi comme masque protecteur autour des motifs lors de la croissance de diamant surdopé de type n dans un réacteur MPCVD à faible densité de plasma. La procédure se termine généralement par le dépôt d'un contact métallique Ti(50 nm)/Pt(50 nm)/Au(200 nm). Comme un contact ne permet pas d'obtenir un contact ohmique, le titane a été remplacé par le tantale qui requiert un recuit à haute température sous vide.

LAPIN113 a permis (1) de définir l'épaisseur et la concentration de dopant des structures NIP et PIN pour la fabrication de diodes tout diamant (113), (2) de réaliser ces structures par MPCVD et (3) de créer le jeu de masques pour la fabrication des diodes. Pour la première fois, quatre échantillons présentant quatre empilements différents ont été élaborés avec la région intrinsèque (i) non intentionnellement dopée (NID) : des structures n/i/p et p/i/n/substrat avec la région NID soit au phosphore soit au bore. Pour chaque structure, les épaisseurs et concentrations de dopant ont été précisément déterminées. Ces quatre structures NIP et PIN en diamant (113) sont prêtes pour la fabrication de diodes.

Les dispositifs les plus performants, issus de la science des matériaux et des technologies de l'électronique, requièrent une maîtrise parfaite du matériau (impuretés et défauts aux interfaces entre couches…) et des étapes technologiques (gravure des motifs, …). Les résultats obtenus dans LAPIN113 sont encourageants confirmant que la France posséde le potentiel pour exploiter le diamant (113) dans l'électronique du futur (et en physique quantique).

La perspective immédiate de LAPIN113 est de réaliser des diodes sur la base des quatre structures NIP et PIN. Les performances de ces diodes donneront des résultats préliminaires. En effet, la science des matériaux nécessite des décennies de recherche pour minimiser les défauts inhérents aux matériaux, notamment par l'amélioration des techniques de préparation et de fabrication. À long terme, il s'agira d'améliorer la taille latérale du diamant (113) pour accéder à des surfaces utilisables plus grandes (> 1 cm²), la qualité du diamant pour obtenir un dopage non compensé (quel qu'il soit) et les interfaces pour éviter la formation de défauts lors des reprises de croissance. Il faudra donc se concentrer sur la croissance du diamant par MPCVD et sa caractérisation physique et électrique.

Une autre perspective est d’améliorer certaines étapes technologiques, en déterminant le métal idéal pour le contact ohmique de type n, en optimisant le sur-dopage local (ex : implantation ionique) et les paramètres de gravure pour éviter la sur-gravure des tranchées. Avant même la fabrication de dispositifs, la réalisation de motifs spécifiques permettra l'analyse électrique du matériau (ex : mesures d'effet Hall réalisées sur un équipement sous vide, à haute température et haute impédance) qui fournira des informations essentielles sur les porteurs de charge transportant l'électricité dans le dispositif.

Pour le diamant, les rares caractérisations de routine rapidement disponibles après la croissance ne suffisent pas toujours à obtenir un retour d'information suffisamment utile. La plupart des analyses physiques nécessitent des créneaux d’accès, une préparation spécifique des échantillons et des équipements complexes nécessitant l'expertise de spécialistes pour leur mise en œuvre et le traitement des données. À titre d'exemple, même si la réalisation d'une lamelle par faisceau d'ions focalisé prend une journée entière pour le diamant (contre 1 à 2 heures pour d'autres semi-conducteurs), une analyse systématique par microscopie électronique à transmission est à privilégier pour étudier les dislocations, les défauts et la qualité cristalline du diamant. Dans la course aux dispositifs électroniques du futur, les retours d'information entre la croissance et tous les types de caractérisations doivent être aussi rapides que possible, ce qui requiert des financements pour l'acquisition d’instruments et le recrutement de personnel.

“Diodes pin de diamant (113)” (LAPIN113) est un projet basé sur les récentes découvertes de laboratoires français expérimentés dans le domaine du diamant : le LSPM (Villetaneuse) et le GEMaC (Versailles). L'orientation cristallographique (113) présente de meilleurs potentiels pour le dopage du diamant que l'orientation classique (100). Une meilleure qualité électrique est ainsi attendue pour le diamant (113) dédié aux dispositifs électroniques de forte puissance nécessitant des structures bipolaires. Le LCD du CEA-LIST (Saclay) et le LAAS (Toulouse) forment avec le GEMaC et le LSPM un partenariat aux compétences complémentaires : croissance épitaxiale du diamant (intrinsèque et dopé), études physiques de pointe, fabrication et caractérisation de composants. Leur objectif est de fabriquer les premiers dispositifs bipolaires de puissance verticaux à base de diamant sur l'orientation (113), permettant à la France d’être pionnière dans ce nouveau domaine.