Plasmas pour la croissance de diamant épais fortement dopé au bore : Analyse et Modélisation – PLASBorDDiAM

Un commutateur est un composant clé pour la commutation à haute puissance. Celle-ci nécessite une grande tension de claquage associée à une faible résistance de contact et une capacité de commutation rapide avec de faibles pertes. Les semi-conducteurs à grand gap sont les meilleurs matériaux pour ces composants, et parmi eux le diamant est le plus prometteur. De nos jours, bien que le dopage n soit encore difficile à réaliser, le dopage p peut être effectué de façon fiable en utilisant le bore comme accepteur, ouvrant ainsi la voie à la fabrication de composants de puissance unipolaires entièrement fabriqués en diamant.
Afin d’atteindre cet objectif, la question est : comment peut-on élaborer un monocristal de diamant présentant de hautes propriétés de pureté et de qualité, et organisé verticalement en multicouches avec des propriétés électroniques variables ((i, p+, p-), pour des composants unipolaires) ? La réponse à cette question vient de la capacité à maîtriser les plasmas H2-CH4-B2H6 adaptés pour la croissance de diamant dopé au bore. Pour fabriquer un composant vertical unipolaire tout en diamant, il est nécessaire d’élaborer une couche de diamant épaisse d’environ 100µm et fortement dopée au bore (1020 atom. cm-3) sur une couche de diamant épaisse de 1 à 10 µm faiblement dopée au bore.
Pour obtenir une telle épaisseur associée à un fort taux de dopage et une haute qualité microstructurale du diamant monocristallin, il est nécessaire d’utiliser un plasma très énergétique. Dans de telles conditions, maîtriser le dopage reste un défi alors que le dopage au bore modéré de films minces de diamant est réalisé quotidiennement. Ceci à cause de la formation de suies observée à haute densité de puissance et en présence de B2H6. Les particules absorbent une part importante de l’énergie du plasma et rayonnent, menant ainsi à un chauffage excessif des fenêtres en quartz et éventuellement à leur rupture. Un autre verrou réside dans l’identification de l’espèce borée responsable de l’incorporation de l’élément bore dans le diamant.
L’objectif de ce projet est de comprendre les phénomènes intervenants dans les plasmas H2-CH4-B2H6 contenant entre 0 et 10000 ppm de B2H6 et obtenus à haute densité de puissance. Les questions auxquelles nous voulons répondre sont : (1) quel est le modèle cinétique caractéristique de la chimie des espèces borées dans ce type de plasma et quelle est l’espèce clé pour le dopage ? (2) quels sont les effets aero-thermo-chimiques sur le profil des espèces, dans le plasma ainsi qu’à sa périphérie ? (3) quels sont les mécanismes responsables de la formation des suies et les paramètres qui les gouvernent, effets hydrodynamiques inclus ? (4) Quelles conditions de fonctionnement peuvent être utilisées afin de dépasser les limitations actuelles, en conservant la qualité et la structure du diamant.
La modélisation ainsi que les outils de spectroscopie laser seront développés afin d’atteindre les objectifs décrits précédemment. La mise au point d’un code 2D/3D capable de décrire le dépôt d’énergie micro-onde dans le plasma, les phénomènes aéro-thermochimiques, la formation des suies ainsi que les processus de surface constituerait un outil idéal.
A cause de la complexité de notre problématique, nous proposons d’élaborer des outils de calcul nous permettant de mieux comprendre les procédés physiques et chimiques et qui pourront, par la suite, être intégrés dans un unique code de calcul « idéal ». Ce projet sera ainsi dédié à (1) au développement d’un modèle aéro-thermochimique pour le plasma, incluant un schéma cinétique et des processus d’interaction plasma/surface qui (tout deux élaborés pour ce projet), (2) à la modélisation de la formation des suies.
Des mesures de spectroscopie laser allant du proche UV à l’IR (LIF, absorption, LII) seront effectuées dans le plasma H2-CH4-B2H6
Ce projet associe quatre laboratoires très complémentaires : LSPM (ex LIMHP), GREMI, LIMSI and EM2C.