Epaississement de couches p de diamant faiblement dopées

4.1.2 Epaississement de couches p- de diamant faiblement dopées au bore

L’objectif de cette sous-partie est de maîtriser la croissance de couches p−de dia- mant faiblement dopées au bore d’épaisseur supérieure à 5 µm. L’enjeu est d’obte- nir des couches ayant une haute qualité cristalline (electronict grade) et une surface exempte de défauts surfaciques comme les cristallites non épitaxiés ou les défauts pyramidaux (cf Chapitre1, sous partie 1.3.2). Dans le précédent chapitre, il a été énu- méré différentes stratégies provenant de la littérature afin de prévenir l’apparition de tels défauts (injection d’azote, substrats désorientés, haute densité de puissance, faible taux de méthane. . . ).

4.1. Optimisation des paramètres de croissance de films homoépitaxiés faiblement dopés au bore de haute qualité cristalline (couches p−, 1-5 microns)

Dans notre cas, l’utilisation d’azote serait préjudiciable pour des couches dopées p électriquement actives. Les atomes d’azote agissant comme donneurs compense- raient les atomes de bore rendant donc le diamant résistif et diminuant la mobilité des trous [9].

Les faibles taux de méthane (< 0.15 %) donnent une vitesse de croissance très faible <0.1 µm.h−1_{) [1], ce qui implique des croissances longues si l’on souhaite des}

couches de plusieurs microns d’épaisseur. Les substrats qui ont été utilisés dans cette thèse possèdent une désorientation au maximum de ±3°, il n’est donc pas judicieux de jouer sur ce paramètre (cf Chapitre 1, sous partie 1.2.4).

Le dernier levier disponible concerne la densité de puissance du plasma qui est imposée par le couple puissance micro-onde/pression. Plusieurs équipes ont montré qu’en augmentant la densité de puissance du plasma c’est-à-dire le rapport entre la puissance micro-onde injectée et le volume du plasma, les surfaces des couches ob- tenues étaient particulièrement lisses [10, 11, 12, 13, 14]. Ces conditions permettent de combiner une vitesse de croissance élevée (>2 µm.h−1) avec une meilleure qualité cristalline du diamant épitaxié [15, 16].

Dans cette étude, différents couples puissance micro-onde/pression ont été uti- lisés dans le bâti de croissance dédié aux faibles dopages au bore.

En partant des conditions de croissance déterminées dans la sous-partie 1.1 (den- sité de puissance 130 W.cm−3), deux couples puissance micro-onde/pression ont été choisis de sorte à augmenter la densité de puissance du plasma (Figure4.7) tout en conservant la même température de 940 °C (mesurée avec un pyromètre à filament) à la surface de l’échantillon. Les densités de puissance ont été estimées en mesurant le volume du plasma (considéré comme sphérique) sur les images prises en prenant comme étalon de mesure le porte substrat, puis la puissance micro-onde utilisée a été divisée par ce volume. La mesure du volume reste imprécise, ces valeurs seront utilisées pour une comparaison qualitative.

FIGURE 4.7 – Deux plasmas de croissance ayant des densités de puissance différentes en fonction du couple puissance micro- onde/pression, ils correspondent respectivement aux conditions de

Les conditions expérimentales sont répertoriées dans la Table4.2. En parallèle, une valeur plus élevée de CH4/H2 (2 %) a été utilisée. Dans la littérature, l’aug-

mentation de la densité de puissance s’accompagne généralement d’une valeur de concentration en méthane plus élevée pour atteindre des couches plus épaisses sans défauts. Enfin il a été étudié l’influence de la température en même temps que la den- sité de puissance en passant de 940 °C à 1020 °C (température fixée par le plasma) dans les conditions 3b et 4b. Les substrats Sumitomo Ib (100) ont été au préalable pré- traités en éliminant 10 µm par gravure Ar/O2afin d’améliorer leur qualité cristalline

et de prévenir l’apparition de défauts pyramidaux à la surface (Cf optimisation de la gravure du substrat Chapitre3. Les épaisseurs des couches épitaxiées obtenues varient de 1.7 à 7.9 µm.

TABLE 4.2 – Conditions de croissance des couches de diamant épaisses

Cond- dMW P PMW CH4/H2 [B]/[C] T Vitesse Epaisseur Durée

itions (W.cm−3_{) (mbar) (W) (%) (ppm) (°C) (µm.h}−1_{) (µm) (h)} 1a 130 90 600 0.5 0 ∼940±10 0.33 4.6 15 2a 220 145 540 0.5 0 ∼940±10 0.27 4 15 3a 265 145 650 0.5 0 ∼1020±10 0.11 1.7 15 1b 130 90 600 2 0 ∼940±10 1 7.9 8 2b 220 145 540 2 200 ∼940±10 1.1 5.5 5 3b 265 145 650 2 200 ∼1020±10 0.9 2.2 2.5 4b 325 145 800 2 200 ∼1020±10 0.71 3.6 5

Les images de microscope optique et de MEB des échantillons ont été regroupées dans la Figure4.8. L’augmentation de la densité de puissance permet de réduire le nombre de défauts pyramidaux. Pour une concentration de CH4plus faible (0.5 %),

cette observation est encore plus visible alors qu’avec une plus haute densité de puissance et une faible concentration de CH4 (conditions 3a), on observe presque

plus de défauts de surface.

Des analyses en spectroscopie Raman à une longueur d’onde de 633 nm ont été effectuées au GEMAC sur les échantillons (sauf conditions 3b). La largeur à mi- hauteur du pic Raman du premier ordre du diamant et la vitesse de croissance (esti- mée par pesée) ont été tracées à la Figure4.9.

Malgré l’absence de défauts de surface pour les conditions 3a à 0.5 % de mé- thane, les images MEB montrent une plus grande rugosité. Une très faible vitesse de croissance (0.11 µm.h−1) est obtenue dans ces conditions ce qui rend la croissance de couches épaisses (>5 µm) trop longue.

Comme attendu, la vitesse de croissance est plus élevée à 2 % de méthane qu’à 0.5 %. Pour les deux concentrations en méthane, l’augmentation de la densité de puissance diminue significativement la vitesse de croissance. Pour 0.5 % de CH4, la

largeur de pic à mi-hauteur (FWHM) du pic Raman du diamant augmente avec la densité de puissance de 1.8 cm−1pour les conditions 1a à 2.1 cm−1pour les condi- tions 3a. La couche épitaxiée réalisée avec une plus grande concentration de méthane (2 % CH4) montre, exceptée pour les conditions 1a, une meilleure qualité cristalline

4.1. Optimisation des paramètres de croissance de films homoépitaxiés faiblement dopés au bore de haute qualité cristalline (couches p−, 1-5 microns)

FIGURE4.8 –Observations par microscopie optique et par MEB des différentes couches de diamant épitaxiées suivant les densités de

puissance (1 à 4) pour deux teneurs en méthane

FIGURE4.9 –Influence de la densité de puissance sur la qualité cris- talline (largeur à mi-hauteur du pic diamant du 1er ordre) et la vitesse de croissance des couches de diamant épaisses pour deux concentra-

tions en méthane (cf Table4.2)

A partir de ces observations, les conditions de croissance 2a avec une concen- tration de méthane de 0.5 % ont été retenues. Elles donnent le meilleur compromis entre la qualité cristalline, la rugosité de surface et une vitesse de croissance de 0.27 µm.h−1suffisante pour obtenir des couches faiblement dopées d’épaisseur 5 µm.

Avec une plus faible concentration de méthane (0.5 %), l’augmentation de la den- sité de puissance de 130 à 220 W.cm−3 rend l’incorporation en bore plus difficile d’après les mesures SIMS faites sur d’autres échantillons ayant eu une croissance

avec du TMB. En effet, en gardant un rapport [B]/[C] constant (200 ppm), la concen- tration en bore se rapproche de la limite de détection du SIMS (<1.7×1015at.cm−3) (Figure4.10).

FIGURE4.10 – Concentration totale en bore mesurée en SIMS dans les couches de diamant obtenues à différentes densités de puissance pour deux concentrations en méthane (0.5 % et 2.0 %) et [B]/[C] : 200

ppm

Dans l’objectif d’obtenir une concentration en bore détectable par le SIMS et proche de 1016 at.cm−3, le rapport [B]/[C] a été doublé (400 ppm) avec les mêmes conditions CVD. Les valeurs de concentration en accepteurs de bore atteintes sont de 7×1015_cm−3_{avec les conditions 2a à 0.5 % de CH}