Détermination de la quantité de bore à partir des mesures CL

A partir de mesures de cathodoluminescence, l’étude de la corrélation entre l’intensité de l’exciton libre FETO et celle de l’exciton lié au bore BETO peut fournir des informations sur la concentration de dopant. Dans le silicium, pour des concentrations de dopant < 1015 cm-3, le rapport des intensités exciton lié/exciton libre est proportionnel à la concentration de dopant [TAJ78]. Le rapport de leurs intensités peut être utilisé pour mesurer la concentration d’accepteur dans le diamant à condition qu’aucun autre processus de recombinaison compétitif n’émerge à haute température, et c’est le cas lorsque la concentration de bore est au-dessous de 3.1018 cm-3 [KAW93b].

Nous avons donc estimé la concentration de bore dans nos couches préparées avec ajout d’oxygène, en utilisant les conclusions de Kawarada sur le diamant polycristallin à 77 K et le coefficient de proportionnalité déterminé à 6.1016 par Kasu et al. [KAS04] à 5 K.

Les mesures ont été faites sur deux couches p- déposées avec un taux d’oxygène de 0.25% (DMO 573) et 0.375% (DMO 578), respectivement sur un substrat Ib (100) et sur un substrat Ib dopé bore. Ainsi, en utilisant les tensions d’accélération de 2, 5, 10, 15, 20 et 30 kV correspondant respectivement aux profondeurs de 0.06, 0.28, 0.88, 1.73, 2.80 et 5.50 µm, nous avons pu représenter à la figure III.23 quelques points représentant le profil du dopage dans l’échantillon DMO 578 (couche p-/substrat Ib dopé bore avec

[ ]

[ ]

C B

10

= ). Le profil sur le DMO 573

(

[ ]

[ ]

C B

1

= ) n’est pas montré parce que l’exciton lié était indétectable dans le bruit.

Figure III.23 : concentration de bore en fonction de la profondeur pour le DMO 578 (p-/substrat Ib dopé bore)

Pour la couche p-/sub.Ib (0.25% d’oxygène), on obtient une valeur constante autour de 6.1015

cm-3 jusqu’à une profondeur de 1.3 µm, puis une croissance quasi exponentielle jusqu’à 5.1016 cm -3 à 2.8 µm quand on se rapproche de l’interface avec la couche p+. Cette incorporation

10¹⁵ 10¹⁶ 10¹⁷

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

supplémentaire de bore pourrait provenir d’une attaque du substrat dopé bore avec incorporation postérieure du bore dans la couche en cours de croissance.

Sur les échantillons avec des couches p-/substrat Ib déposées avec 0.25% d’oxygène, la

concentration de bore a été estimée autour de 7,5.1014 cm-3, et ne varie pratiquement pas en fonction de la profondeur.

Ces faibles valeurs de dopage obtenues sur ces couches peuvent provenir des conditions de croissance de cette couche notamment l’ajout d’oxygène qui semble avoir réduit drastiquement l’incorporation de bore, ajouté à cela le fait d’avoir placé l’échantillon au bas du plasma où la décomposition chimique des espèces est moins importante. Celles-ci pourraient expliquer les problèmes rencontrés à faire passer un courant avec les contacts réalisés sur ces couches, comme nous le verrons dans le chapitre V.

Une étude exacte du profil de dopage pourrait être faite par SIMS, mais on se retrouve en dessous de la limite de détection (2,9.1015 cm-3) pour pouvoir détecter des concentrations résiduelles de bore aussi faibles que dans le cas de la couche p-/substrat Ib, et ainsi vérifier ces résultats obtenus.

La méthode utilisée, bien qu’approximative, reste donc pour l’instant la seule manière d’avoir une idée sur le dopage pour des concentrations de bore aussi faibles.

Une méthode possible pour confirmer ces résultats et faire une calibration serait de mesurer par cette méthode beaucoup d’échantillons préparés dans les mêmes conditions que ceux utilisés. Pour l’instant, ces valeurs restent donc juste indicatives. Une caractérisation électrique ultérieure permettra peut être de déterminer la mobilité des porteurs et d’avoir une idée sur leur concentration puisque celle-ci varie en inverse de la constante de Hall.

III.9 CONCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons étudié par cathodoluminescence les excitons et les défauts dans les couches CVD que nous avons élaboré.

L’utilisation de plusieurs énergies nous a permis de voir les excitons libres et liés (p-/p+) de la couche p-, notamment :

ƒ les excitons libres associés à des phonons : FETO à 5.266 eV et FETA à 5.32 eV, avec en plus un phonon de centre de zone FETO+O à 5.10 eV

ƒ les excitons liés au bore associés ou non à des phonons: BETO à 5.215 eV, BETO+O à 5.04 eV et BENP à 5.35 eV.

Nous avons pu aussi distinguer les défauts de la couche p- par rapport aux défauts spécifiques du pseudo-substrat et du substrat Ib dopé bore, et de voir que la couche p- a les mêmes défauts résiduels sur le pseudo-substrat p+/Ib et le substrat Ib dopé bore:

ƒ Défauts structuraux étendus (bande A à 2.9 eV, bandes 2.6, 3.6 et 4.05 eV)

De même nous avons pu voir que l’intensité relative du pic de l’exciton dépend de la nature du substrat. Sur le pseudo-substrat p+/Ib, il domine (rapport d’intensité à la bande A de 20) les signaux des défauts de la couche tandis que sur le substrat Ib dopé bore, il est égal aux signaux de ces défauts. Donc cette couche p- est globalement de bonne qualité, mais avec des défauts ponctuels et étendus résiduels beaucoup plus nombreux sur le substrat Ib dopé bore.

Nous avons montré aussi que la nature des défauts est spécifique aux conditions de préparation mais que leur concentration dépend de la nature du substrat. Elle est plus grande sur le substrat Ib dopé bore que sur le pseudo substrat p+/Ib.

L’étude de l’homogénéité de la couche p- nous a permis de voir qu’il y a une plus forte concentration de défauts près de sa surface, et une plus grande concentration de bore près de l’interface avec la couche p+ du pseudo substrat.

Enfin, une étude du profil de dopage à partir des spectres CL nous a permis d’avoir une idée sur la concentration de bore dans nos échantillons et de voir que celle-ci reste très faible ~7,5.1014

cm-3 (dû particulièrement à l’ajout d’oxygène pendant la croissance) comparée à ce qu’on obtient pour des échantillons faits au laboratoire dans les mêmes conditions mais sans ajout d’oxygène (concentration de bore entre 1016 et 1017 cm-3). Cependant, ces valeurs de dopage obtenues ne sont qu’indicatives et restent à confirmer.

Références

[BAR05] C. Baron et al., “Interfacial layers between heavily boron doped (metallic) homoepitaxial diamond films and their Ib substrates from

cathodoluminescence measurements, a paraître dans Phys. Stat. Sol. (2005)

[BUB92] Photoelectronic Properties of Semiconductors, Cambridge University Press (1992) 119

[CLA64] C. D. Clark, P. J. Dean and P. V. Harris, Proc. Roy. Soc. London, A277 (1964) 312

[COL89a] A. T. Collins, M. Kamo and Y. Sato, J. Phys. Condens. Matter 1 (1989) 4029

[COL89b] A. T. Collins, S. C. Lawson, J. Phys. Condens. Matter 1 (1989) 6929

[COL89c] A.T. Collins, M. Kamo and Y. Sato, J. Phys. D22 (1989) 1402

[COL90a] A. T. Collins, S. C. Lawson, Gordon Davies, and H. Kanda, Phys. Rev. Lett. 65 (1990) 891

[COL90b] A. T. Collins, M. Kamo, Y. Sato, J. Mater. Res., 5 (1990) 2507

[COL92] A. T. Collins, Diam. Relat. Mater. 1 (1992) 457

[COL96] A. T. Collins, J. Mater. Res. 5(11) (1996) 2507

[DAV77] G. Davies, Chem. Phys. Carbon 13 (1977) 113

[DEA64a] P. J.Dean and J. C. Male, J. Phys. Chem. Solids 25 (1964) 1369

[DEA64b] P. J. Dean and I. H. Jones, Physical Review, Vol. 133, Nb. 6A, (1964), A1698

[DEA65a] P. J. Dean, E. C. Lightowlers and D.R. Wight, Physical Review, Vol 140, (1965) 352

[DEA65b] P. J. Dean, Physical Review, 139 (1965) A588

[GHE92a] E. Gheeraert, A. Deneuville, A.M. Bonnot and L. Abello, Diam. Relat. Mater.1 (1992) 525

[GHE92b] E. Gheeraert, Défauts de structure et impuretés dans les couches de diamant élaborées par dépôt chimique en phase vapeur, Thèse à l’université Joseph Fourier, Grenoble (1992)

[GOL81] J. I. Goldstein, D. E. Newbury, P. Echlin, D. C. Joy, C. Fiori and E. Lifshin, “Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis” Plenum, New-York (1981)

[GRA91] R. G. Graham, T. D. Moustakas and M. M. Disko, J. Appl. Phys. 69 (1991) 3212

[KAD04] M. Kadri, Préparation et caractérisation de couches minces de diamant CVD homoépitaxié de haute qualité, Thèse de l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed Boudiaf, Algérie (2004)

[KAN03] H. Kanda, K. Watanabe, S. Koizumi, T. Teraji, Diam. Relat. Mater. 12 (2003) 20

[KAS04] M. Kasu, M. Kubovic, A. Aleksov, N. Teofilov, Y. Taniyasu, R. Sauer, E. Kohn, T. Makimoto, N. Kobayashi, Diam. Relat. Mater. 13 (2004) 226

[KAW93a] H. Kawarada and A. Yamaguchi, Diam. Relat. Mat. 2 (1993) 100

[KAW93b] H. Kawarada, H. Matsuyama, Y. Yokota, T. Sogi, A. Yamaguchi and A. Hiraki, Phys. Rev. B47 (1993) 3633

[KAW94] H. Kawarada, T. Tsutsumi, H. Hirayama and A. Yamaguchi, Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 451

[KAW97] H. Kawarada, C. Wild, N. Herres, R. Locher, P. Koidl and H. Nagasawa, J. Appl. Phys. 81 (1997) 3490

[KAW97] H. Kawarada, C. Wild, N. Herres, P. Koidl, Y. Mizuochi, A. Hokazono and H. Nagasawa,J. Appl. Phys. 72 (1998) 1878

[KOI03] S. Koizumi, K. Watanabe, M. Hasegawa and H. Kanda, Science (2001) 292, 1899

[LAW95] C. Lawson, Hisao Kanda, Hideo Kiyota, Takahiro Tsutsumi and Hiroshi Kawarada, J. Appl. Phys. 77 (1995) 1729

[MOR92] Y. Mori, N. Eimori, H. Kozuka, Y. Yokota, J. Moon, J. S. Ma, T. Ito and A. Hiraki, Appl. Phy. Lett. 60 (1992) 47

[ROB89] L. H. Robins, L. P. CooK, E. N. Farabaugh and A. Feldman, Phys. Rev. B39 (1989)13367

[RUA92] J. Ruan, K. Kobashi and W.J. Choyke, Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 3138

[SAK97] I. Sakagushi, M. Nishitani-Gamo and K. L. Loh, Appl. Phys. Lett. 71 (5) (1997) 629

[SAK98a] I. Sakaguchi, M. Nishitani-Gamo and K. P. Loh, Appl. Phys. Lett. 73 (18) (1998) 2675

[SAU00a] R. Sauer, Crust. Res. Technol. 34 (1999)2 227

Vol. 84, Nb 18 (2000) 4172-4175

[SOL70] S. A. Solin and A. K. Ramdas, Phys. Rev. B1 (1970) 1687

[STE96a] H. Sternschulte, J. Horseling, T. Albrecht, K. Thonke, R. Sauer, Diam. Relat. Mater. 5 (1996) 585

[STE96b] H. Sternschulte, T. Albrecht, K. Thonke, R. Sauer, M. Greiber and M. Grasserbauer, MRS, Spring Meeting 1996 San Francisco USA

[STE97b] H. Sternschulte, S. Wahl, K. Thonke, R. Sauer, M. Dalmer, C. Ronning and H. Hofass, Appl. Phys. Lett. 71 (18) (1997) 2668

[STE97b] H. Sternschulte, S. Wahl, K. Thonke, R. Sauer, T. Ruf, M. Cardona and R. T. Anthony, Materials Science Forum Vol. 258-263 (1997) 757

[TAC99] T. Tachibana, Y. Yokota, K. Hayashi, and K. Kobashi, J. Electrochem. Soc. 146 (5) (1999) 1996

[TAJ78] M. Tajima, Appl. Phys. Lett. 32 (1978) 719

[TAK99] D. Takeuchi, H. Watanabe, S. Yamanaka and H. Okushi and K. Kajimura, Phys. Stat. Solid. A 174 (1999) 101

[TAK01] D. Takeuchi, H. Watanabe, S. Yamanaka and H. Okushi, Phys. Rev. B63 (2001) 245328-1,7

[THO00] K. Thonke, R. Schliesing, N. Teofilov, H. Zacharias, R. Sauer, A. M. Zaitsev, H. Kanda, T. R. Anthony, Diam. Relat. Mater. 9 (2000) 428

[VOG98] R. Vogelgesang, A. D. Alvarenga, H. Kim, A. K. Ramdas, S. Rodriguez, M. Grimsditch and T. R. Anthony, Phys. Rev. B 58 (1998) 5408

[WAN00] C. Wang, M. Irie and T. Ito, Diam. Relat. Mater. 9 (2000) 1650

[WAT98a] H. Watanabe, K. Hayashi, D. Takeuchi, Yamanaka, H. Okushi, K. Kajimura, T. Sekiguchi, Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 981

[WAT98b] H. Watanabe, D. Takeuchi, , H. Okushi, K. Kajimura, and T. Sekiguchi, Solid State Phenomm.63/64 (1998) 489

Vol 49, (1984) 609

[YAC86] B. G. Yacobi and D. B. Holt, J. Appl. Phys. 59(4), (1986) R1

[YOK99] Y. Yokota, T. Tachibana, K. Miyata, K. Hayashi, K. Kobashi, A. Hatta, T. Ito, A. Hiraki and Y. Shintani, Diam. Relat. Mater. 8 (1999) 1587

[ZAI01] A. M. Zaitsev, “Optical Properties of Diamond”, A Data Handbook, Heidelberg (2001)

[WAD04] M. Wade, M. Kadri, E. Bustarret, A. Deneuville, P. Muret and D. Araujo, Phys. Stat. Sol. (a) 201 (2004) 2457

CHAPITRE IV :

Gravure ECR de couches monocristallines