Les couches épaisses faiblement dopées au bore ont été utilisées pour la fabrica- tion de MOSFETs dans le cadre du projet Greendiamond. A ce moment de la thèse, la caractérisation électrique des composants fabriqués n’a pas été effectuée. La diffi- culté réside dans l’empilement des couches épitaxiées à différents types de dopage (p et n) sans détériorer l’état de surface pour les étapes suivantes (gravures, contacts métalliques. . . ). Dans le but de tester davantage la qualité des couches de diamant développées dans ce chapitre, une couche p− de 1.5 µm d’épaisseur a pu être in- tégrée à la fabrication de composants MESFET avec la participation de plusieurs partenaires du projet Greendiamond (Institut Néel, UCL) puis caractérisées électri- quement par différentes méthodes.
4.3.1 Réalisation du composant MESFET
Pour cette étude, un substrat HPHT Ib (100) Sumitomo a été utilisé. Les différents paramètres du composant (dimensions, dopage. . . ) ont été choisis en fonction des simulations réalisées par les partenaires de l’Université de Cambridge. La définition du masque a été faite à l’University College of London (UCL).
FIGURE4.21 – Structure du MESFET en diamant, les différents pa- ramètres du transistor y sont inscrits (Lg : longueur de grille, Lgd : distance grille-drain, Lgs : distance grille-source et lc: largeur du ca-
nal)
La réalisation du MESFET en diamant (Figure4.21) a nécessité 7 étapes :
1. Prétraitement de surface du substrat par gravure ionique Ar/O2(CEA/LCD)
2. Croissance d’une couche de type p- (épaisseur 1.5 µm (ellipsométrie) / [B] = 1016at.cm−3(estimation par étalonnage SIMS) selon les conditions de la sous partie 4.1.2 (CEA/LCD)
4.3. Fabrication de composants de puissance unipolaires (MESFET)
3. Croissance d’une couche de type p+ (épaisseur 100 nm (ellipsométrie) / [B]
= 5 × 1020 at.cm−3), dans les conditions de croissance : 200 W, 33 Torr, 2 % CH4/H2, 1200 ppm [B]/[C] à 850 °C (Institut Néel)
4. Gravure avec masquage par ICP de la couche p+ pour isoler le canal, profon- deur : 2 µm (Institut Néel)
5. Plasma H2pour obtenir une terminaison hydrogène de la surface du diamant
(Institut Néel)
6. Dépôt du drain et de la source : multicouche Ti/Pt/Au (30/40/50 nm) (Institut Néel)
7. Dépôt de la grille (gate) : multicouche Mo/Pt/Au (20/30/20 nm) (Institut Néel)
4.3.2 Mesures électriques du composant
Le composant MESFET a été testé dans plusieurs configurations à température ambiante. La Figure4.22a représente l’évolution du courant drain-source (IDS) en fonction de la tension appliquée entre les deux (VDS). Pour cette mesure, trois pointes
ont été placées respectivement sur le drain, la source et la grille. Dans un premier temps, aucune tension n’a été appliquée sur la grille (VGS = 0 V). On constate une
première zone linéaire entre 0 et -2.5 V puis, une zone non-linéaire entre –2.5 et -20 V qui montre une saturation du courant et donc une saturation de la vitesse des por- teurs dans la couche de type p−. Si l’on prend en compte seulement la zone linéaire et que l’on extrait sa pente, on peut obtenir la valeur de résistance dans le sens passant (Ron) en utilisant la loi d’Ohm. Celle-ci a été estimée à 0.58 MΩ (résistance spécifique
4.35 kΩ.cm). Si l’on compare avec les MESFET en diamant à appauvrissement de la littérature, la valeur obtenue reste élevée (Ron = 1.4 kΩ.cm [21]). Cependant, cette
valeur dépend également des caractéristiques du composant et de ses dimensions et non seulement des propriétés électriques des couches elles-mêmes.
FIGURE4.22 –Caractéristiques IDS(VDS) du MESFET en diamant a) tension de grille à 0 V avec fit linéaire pour l’extraction de la résis- tance dans le sens passant (on resistance) b) avec une tension de grille
évoluant de 0 à 50 V
Ensuite, la même mesure a été reproduite en appliquant une tension sur la grille (VGS) de 0 à 50 V avec plusieurs pas différents (Figure4.22b). Pour chaque valeur de
En augmentant progressivement la tension de la grille, on appauvrit le canal et on ferme progressivement ce dernier. Pour des valeurs de VGS de 48 et 50 V, on n’ob-
serve plus de courant passant, le canal est alors complètement fermé et ne montre pas de courant de fuite.
FIGURE4.23 –Courant de fuite de la grille en fonction de la tension
du drain suivant plusieurs valeurs de tension de grille (0 à 50 V) du MESFET en diamant
Pour s’en assurer, le courant de fuite de la grille en fonction de la tension du drain pour différentes valeurs de VGSest représenté à la Figure4.23. Il est en général sug-
géré que les courants de fuite proviennent de défauts présents au sein des couches actives [22] ou bien du claquage de la grille [23]. D’une part, on note des valeurs de l’ordre du pA jusqu’à VGS= 50 V ce qui est négligeable. Dans notre cas, on n’observe
pas de fluctuation des courants de fuite en fonction de VGS. L’absence de courant de
fuite démontre la faible densité de défauts dans la couche p- et atteste de sa bonne qualité électronique.
La tension à laquelle le canal est totalement appauvri (et donc fermé) est appelée tension de seuil VTH. Celle-ci peut être obtenue par cette équation :
ID,sat =µn eS ω W 2 (VG−VTH)2 2 (4.1)
Avec la µnla mobilité, eS la permittivité du diamant, ω l’épaisseur moyenne de
la zone de déplétion dans le canal et W la largeur du canal.
Dans le but de déterminer sa valeur, la racine carrée de IDS a été tracée en fonc-
tion de VGS(Figure 4.24) avec une valeur constante VDS de -20 V. En extrapolant la
partie linéaire de la courbe, on peut retrouver VTH [24] qui est égale à 45.5 V, cela
reste cohérent avec la Figure 4.22b où le transistor n’est plus en régime de saturation pour des tension de grille égale à 48 et 50 V.
Enfin, la caractéristique 1/CGS2 (VGS) du MESFET a été tracée (Figure 4.25). Le
but de cette mesure est de déterminer l’épaisseur de la zone de déplétion ainsi que la concentration en accepteurs (NA) dans la couche de type p−en extrayant la pente
4.3. Fabrication de composants de puissance unipolaires (MESFET)
FIGURE4.24 –Caractéristique I1/2DS(VGS)du composant MESFET en diamant, l’extrapolation de la partie linéaire (en pointillés noirs) per-
met de retrouver la tension de seuil VTH
NA = 2 qεSA2 ∆ 1 C2 ∆V (4.2)
Avec q la charge élémentaire (1.6×10−19C), eSla permittivité du diamant, et A
l’aire du canal (Lgxlc= 150 µm²). Le dopage au bore est mesuré à 5.36×1016cm−3. ce
qui est dans l’ordre de grandeur attendu pour la densité d’accepteurs dans la couche p−.
FIGURE4.25 –Caractéristique 1/C2(VGS) du composant MESFET en diamant
Pour conclure, ce MESFET fabriqué à partir des couches p−d’épaisseur de 1.5 µm a démontré un comportement de transistor normalement ouvert avec une fermeture complète du canal sans courant de fuite. Les mesures C-V ont pu confirmer la densité d’accepteurs estimée de la couche p−. Cela valide la possibilité d’utiliser ces couches dans d’autres composants comme par exemple des MOSFET.
4.4. Etude de l’influence des différents paramètres de croissance sur l’incorporation