Note publique d'information : Le diamant est un semi-conducteur à grande bande interdite extrêmement prometteur,
notamment en électronique et en radiodétection. Notre étude s’intéresse à la production
de films diamant en hétéroépitaxie sur du silicium. Cette association constitue en
effet un enjeu majeur compte tenu de l’importance du silicium en microélectronique.
Les films sont obtenus par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma microonde
(MPCVD), tandis qu’une procédure de polarisation (BEN) sert à initier la germination.
L’objectif est d’améliorer le taux d’épitaxie des cristaux diamant et leur densité,
deux critères décisifs pour la qualité d’un film diamant hautement orienté. Des analyses
MEB, AFM, XPS et RHEED ont ainsi montré que la formation d’une couche de carbure de
silicium intermédiaire par carbonisation in situ est très avantageuse, mais qu’elle
impose l’utilisation d’une courte durée de polarisation afin de préserver l’intégrité
de la couche. Une faible concentration en méthane permet par ailleurs d’éviter une
croissance dégradée du diamant. Ces ajustements ont permis de passer d’un taux d’épitaxie
de 10 à 45 %, au détriment cependant de la densité. Ceci a pu être compensé par l’amélioration
de l’état de surface du substrat via un prétraitement plasma modifiant sa structure
(densité multipliée par 20) ou en déposant du carbure de silicium monocristallin.
Cette dernière méthode a engendré une germination du diamant « par domaine », très
prometteuse et inédite sur ce matériau. Ces travaux montrent donc comment améliorer
la qualité de la germination du diamant et permettent d’envisager la production sur
silicium de films diamant plus minces et de meilleure qualité cristalline.
Note publique d'information : Diamond is a wide band gap semiconductor which is very promising, especially in electronics
or in radiodetection.Our study is focused in particular on the production of heteroepitaxial
diamond films on silicon substrates. In fact, this association is a major issue because
of the wide use of silicon in microelectronics. Films are produced by microwave plasma
assisted chemical vapour deposition (MPCVD), with a bias procedure (BEN) which enable
us to initiate nucleation. Our aim is to achieve a better epitaxial rate of the diamond
crystals and also a better density, which are two decisive criteria for the quality
of highly oriented diamond films. SEM, AFM, XPS and RHEED analyses have shown that
the formation of an intermediary silicon carbide layer by in situ carbonization provides
important advantages but that the bias procedure should be short in order to avoid
a deterioration of this layer. Moreover, we noticed that the use of a low methane
concentration prevents a defective growth of the diamond crystal. These adjustments
allowed us to raise the epitaxial rate from 10 to 45 % but, on the other hand, the
density decreased. To compenate for this density drop, the state of the substrate
surface can be improved, by optimizing its structure through a plasma pretreatment
(density mutiplied bu 20) or by preparing a layer of monocrystalline silicon carbide.
In this last case, we obtained a diamond nucleation forming domains, which is unusual
on silicon carbide but very promising. Consequently, our work shows how to directly
improve the quality of the diamond nucleation. This paves the way to the production
on silicon of thinner diamond films with better crystal quality.
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data.idref.fr
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