CROIssance de SubstrAts de Diamant à faible densité de Dislocations – CROISADD

La demande mondiale croissante en énergie électrique nécessite l'utilisation de convertisseurs de puissance toujours plus efficaces afin de contrôler et distribuer les flux électriques entre les usines de production et les consommateurs tout en assurant une perte minimale. Les applications militaires bénéficieront également du développement de commutateurs plus performants. En effet, les systèmes d’armement doivent constamment être améliorés au niveau de leurs performances de lancement et de leur facilité de déplacement. Une des clés de ce succès repose sur la possibilité de contrôler et libérer instantanément de l’énergie (de manière répétitive ou non). Cette libération d’énergie est habituellement assurée par des composants classiques tels que des condensateurs mais peut l’être également par des commutateurs qui sont précisément l’objet de cette étude.
En raison de ses propriétés inégalées, le diamant CVD constitue le matériau semi-conducteur ultime en vue de repousser les frontières de fonctionnement des dispositifs d’électroniques de puissance actuels. Les améliorations de la technique CVD assistée plasma permet désormais la synthèse de manière routinière de films de diamant intrinsèques ou dopés p, mais l'utilisation de ce matériau en électronique a été largement compromise par la difficulté à obtenir des cristaux exempts de défauts. Par ailleurs, la faible reproductibilité des caractéristiques des films est principalement liée à la présence de défauts étendus tels que des dislocations qui ont un effet catastrophique sur les tensions de claquage et les mobilités de porteurs. L’obtention d'une manière reproductible de cristaux de diamant pratiquement exempts de dislocations constitue l’un des verrous essentiels qui, si il était levé, pourrait permettre d’ouvrir la voie à une filière diamant pour l’électronique de puissance. Il s’agit ici de l’objectif principal du projet.
Les dislocations dans les monocristaux CVD ont deux origines principales: (i) celles déjà présentes dans les substrats qui s'étendent dans la couche CVD, (ii) celles générées lors des premières étapes de la croissance épitaxiale ou à chaque reprise d’épitaxie. Ces dislocations se propagent inexorablement dans le sens de la croissance et émergent à la surface de la couche.
Ce projet vise à fournir une meilleure compréhension des mécanismes de formation et propagation des dislocations dans le cristal de diamant et de leur interaction avec le front de croissance, avec l'objectif final de synthétiser des cristaux sans défauts. Notre approche consistera en un processus itératif : préparation de la surface des substrats par gravure, texturation ou masquage, suivi du dépôt de couches de diamant CVD qui seront ensuite caractérisées en utilisant des techniques pertinentes, telles que le TEM, la biréfringence, la cathodoluminescence ou la gravure sélective afin d'évaluer les types de dislocations formées et leur densités. Nous déterminerons ainsi les conditions qui permettront d’inhiber la formation de nouvelles dislocations, ou de faire en sorte que les dislocations existantes soient bloquées ou déviées afin qu’elle ne se propagent pas dans le cristal. Ce travail se basera sur des stratégies qui ont déjà fait leurs preuves pour d’autres matériaux semi-conducteurs tels que le GaN et qui seront mises en oeuvre pour la première fois lors de la synthèse de diamant. Les propriétés électroniques des meilleurs cristaux de diamant seront ensuite évaluées par des mesures de temps de vol et la possibilité d'utiliser ces cristaux en temps que substrats pour des croissances supplémentaires sera considérée.
Ce projet réunira des partenaires qui sont experts dans la synthèse de semi-conducteurs à grande bande interdite et leur caractérisation (LSPM, LMGP, GEMaC) et la caractérisation des dislocations par TEM (CEMES). Il devrait enfin permettre l’obtention de cristaux de qualité électronique nécessaire au développement d’une filière technologique diamant pour l’électronique de puissance.