Equipe COM – Projets en cours

I. Dopage de semi-conducteurs

I.1. Dopage localisé

Le dopage des matériaux semi-conducteurs est une étape clé de la fabrication de composants électroniques. Les architectures de composants étant très complexes, il est souvent nécessaire de doper localement (et non pas uniformément) le semi-conducteur. L’industrie de l’électronique utilise principalement 3 techniques pour le dopage localisé : la diffusion, l’implantation ionique et le dopage in situ pendant la croissance épitaxiale (avec masque). Dans le cas des semi-conducteurs à grand gap (SiC, GaN), les coefficients de diffusion sont trop faibles ce qui exclue le dopage par diffusion. L’implantation ionique est ainsi largement utilisée mais cette technique est intrinsèquement limitée par la profondeur de dopage effective ainsi que par la génération de nombreux défauts cristallins très difficiles à guérir. Le dopage localisée pendant la croissance épitaxiale est également difficile car les masques ne résistent pas aux conditions classiques d’épitaxie. Nous proposons donc d’utiliser une technique non conventionnelle de croissance pour contourner cette difficulté : le transport Vapeur-liquide-solide (VLS).

Schéma de principe du transport VLS appliqué au SiC

L’aluminium sert à la fois de phase liquide pour la croissance par transport VLS et de dopant de type p du SiC. Ainsi, en optimisant les conditions de croissance VLS, nous avons démontré l’obtention de dépôts cristallins localisées de 4H-SiC sur des zones de géométrie très variable. Le matériau déposé est fortement dopé p à l’aluminium ([Al] > 1020 at.cm-3). Ces couches sont testée électriquement pour déterminer leur potentiel à améliorer les performances de composant électroniques à base de SiC.

Croissance localisée de SiC dopé de type p par transport VLS

Cette approche du dopage localisé par transport VLS a été transposée au GaN, matériau pour lequel la problématique de dopage est encore plus forte. Pour ce faire, on forme dans un premier temps un réseau de gouttes d’un alliage Ga-Mg que l’on nitrure dans un second temps pour obtenir du GaN dopé p au magnésium.

Schéma de principe du transport VLS appliqué au GaN

Croissance localisée de GaN dopé de type p par transport VLS

I.2. Nouveau modèle de dopage du SiC

Les composants électroniques (diodes, transistors) à base de Carbure de Silicium (SiC), permettent une réduction considérable des pertes d’énergie lors de leur fonctionnement, par rapport au silicium. Depuis longtemps, on sait contrôler le dopage de type du SiC avec l’azote. Cependant, malgré une apparente maturité de la technologie de ce dopage, le mécanisme d’incorporation de l’impureté N dans SiC pendant l’épitaxie est encore loin d’être bien décrit et compris. Partant de ce constat et en s’appuyant sur de nombreux résultats expérimentaux existants, nous avons proposé (en collaboration avec le LMGP de Grenoble) un modèle théorique d’incorporation de l’azote dans le 4H-SiC.

Schéma de principe du modèle d’incorporation par formation de lacunes sur les terrasses

Ce modèle est basé sur les échanges dynamiques existant entre un matériau solide chauffé à haute température et l’atmosphère gazeuse présente lors de ce chauffage. Dans le cas du SiC chauffé sous hydrogène aux environs de 1500°C (conditions habituelles de dopage), les atomes de carbone de surface du SiC sont attaqués par l’hydrogène, créant ainsi des lacunes de carbone en surface. Si une quantité contrôlée d’azote est ajoutée en phase gazeuse, cet élément peut alors combler les lacunes de surface et ainsi s’incorporer dans la maille cristalline du SiC. Ce modèle d’échange dynamique de surface pourrait aussi potentiellement permettre d’accéder au mécanisme d’incorporation de n’importe quelle autre impureté que l’azote dans le SiC. Il pourrait même être étendu au dopage d’autres semi-conducteurs. Ces travaux sont publiés dans la revue Scientific Reports et ont fait l’objet d’une communication sur le site internet du CNRS.


II. Atomic Layer Deposition

L’ALD (Atomic layer deposition) est la technique idéale pour le dépôt de couches minces conformes et homogènes en raison de sa simplicité et de sa reproductibilité. Le principe de l’ALD est basé sur la réaction entre différents précurseurs introduits alternativement et non pas simultanément (CVD). De cette manière chaque précurseur réagit uniquement avec la surface de croissance qui est idéalement recouverte d’une monocouche de l’autre précurseur. Le processus de réaction est donc auto-limité aux réactions de surface ce qui différencie l’ALD de la CVD.

Schéma de principe de l’ALD

II.1. Réalisation d’un textile en BN efficace pour le traitement de l’eau

En adaptant la voie “Polymer Derived Ceramics” (dépôt basse température suivi d’un traitement thermique, développée au sein de l’équipe CIMP) des nanomatériaux de BN ont été réalisés par ALD. La faible température de dépôt ainsi obtenue a permis l’utilisation de supports polymères, non accessibles jusqu’à présent avec l’ALD de BN “classique” (avec ammoniac et précurseurs halogénés). Ce procédé se révèle donc polyvalent et permet la fabrication de nano-hétéro-structures fonctionnelles complexes. Des textiles non tissés, constitués de nanotubes de BN avec un diamètre interne et une épaisseur de parois contrôlables, ont ainsi été synthétisés à partir de fibres de PAN électrofilées (fabriqués par l’équipe PSI). Ces textiles présentent une super-hydrophobicité ainsi qu’une grande stabilité vis-à-vis de l’exposition à l’air et à des environnements acides ou basiques. Ces textiles se sont révélés d’excellentes éponges et des filtres efficaces pour les composés organiques, utilisables pour la purification de l’eau. De plus, ils sont facilement régénérables par traitement thermique sous air et donc réutilisables. Une bonne répétabilité des expériences d’absorption et de filtration a été observée. Ces nouvelles éponges à base de BN sont ainsi des matériaux très prometteurs pour la dépollution de l’eau.

Textile à base de nanotubes de BN pour la filtration de molécules organiques

II.2. Hétéroépitaxie de ZnO sur GaN

L’ALD est intrinsèquement une technique “basse température”, conditions pour lesquelles l’épitaxie est rendue difficile. Pour bon nombre d’applications, l’épitaxie des couches élaborées par ALD n’est pas requise. Mais dans certains cas, une couche hautement orientée voire épitaxiale est préférable, on parle alors d’ALE (Atomic Layer Epitaxy). Nous étudions au LMI l’épitaxie de ZnO sur GaN par ALE afin de réaliser l’hétérostructure ZnO/GaN pouvant être utilisée pour des diodes électroluminescentes ou rectificatrices. Les précurseurs utilisés sont le diethyl-zinc (DEZ) et la vapeur d’eau (H2O). Nous ajoutons périodiquement des pulses de trimethyl-Aluminium (TMA) pour doper le ZnO de type n.

Morphologie de surface du ZnO déposé sur GaN