Propriétés optiques et électroniques du diamant fortement dopé au bore PDF Download
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Author: Jessica Bousquet
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Book Description
Ce manuscrit de thèse présente une étude expérimentale des propriétés optiques, électroniques et structurales du diamant fortement dopé au bore. Ce semi-conducteur à large bande interdite peut être synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Il est intrinsèquement isolant mais devient métallique, voire supraconducteur conventionnel par dopage de type p. Ce travail s'articule autour de trois grands axes :Le premier concerne le développement de l'ellipsométrie spectroscopique pour la caractérisation de couches de diamant monocristallin. Dans un premier temps, des modèles optiques ont été développés afin de déduire les épaisseurs, résistivités et concentrations de porteurs de plusieurs séries d'échantillons mesurés ex situ. Ces valeurs ont été confrontées à celles obtenues par le biais de mesures SIMS (Spectroscopie par Emission d'ion Secondaires) et de transport électronique. Une masse effective optique des porteurs a pu ainsi être évaluée. Dans un second temps, cette technique a été mise en oeuvre in situ sur le réacteur. L'influence de la température et de la géométrie de la chambre de réaction a été évaluée et des suivis de croissance en temps réel sont présentés.Le second axe porte sur la synthèse des échantillons et l'optimisation des paramètres de croissance. Dans cette partie, nous révélons la présence d'un transitoire dans l'incorporation du bore conduisant à une inhomogénéité de dopage des échantillons. Une augmentation de l'incorporation du bore avec le débit a également été observée pour la première fois. Enfin, la détérioration de la qualité cristalline du diamant, au delà d'une concentration critique d'atomes de bore, est identifiée et discutée.Le troisième et dernier axe de ces travaux de recherche, est dédié à l'investigation des propriétés électroniques du diamant fortement dopé par magnéto-transport de 300K à 50 mK. Dans un premier temps, l'importance de la mésa-structuration de croix de Hall lors des mesures de transport est mise en évidence. L'utilisation d'une géométrie « maîtrisée », permet en effet de limiter les courants parasites dus à l'inhomogénéité de dopage des couches. Nous avons ainsi pu construire un diagramme de phase différent de celui qui avait été rapporté dans la littérature. Une phase métallique et non supraconductrice a été mise en évidence pour la première fois. Une étude de la transition métal-isolant est présentée, et les exposants critiques issus de sa modélisation sont discutés. L'étude de l'état supraconducteur enfin, nous a permis d'aboutir à une nouvelle dépendance de la température de transition (Tc) avec le dopage. Cette dernière est comparée aux calculs ab initio de la littérature. Aucune réduction de la Tc avec l'épaisseur n'a en revanche été observée dans la gamme des couches synthétisées à savoir de 10 nm à 2 μm.
Author: Jessica Bousquet
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Ce manuscrit de thèse présente une étude expérimentale des propriétés optiques, électroniques et structurales du diamant fortement dopé au bore. Ce semi-conducteur à large bande interdite peut être synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Il est intrinsèquement isolant mais devient métallique, voire supraconducteur conventionnel par dopage de type p. Ce travail s'articule autour de trois grands axes :Le premier concerne le développement de l'ellipsométrie spectroscopique pour la caractérisation de couches de diamant monocristallin. Dans un premier temps, des modèles optiques ont été développés afin de déduire les épaisseurs, résistivités et concentrations de porteurs de plusieurs séries d'échantillons mesurés ex situ. Ces valeurs ont été confrontées à celles obtenues par le biais de mesures SIMS (Spectroscopie par Emission d'ion Secondaires) et de transport électronique. Une masse effective optique des porteurs a pu ainsi être évaluée. Dans un second temps, cette technique a été mise en oeuvre in situ sur le réacteur. L'influence de la température et de la géométrie de la chambre de réaction a été évaluée et des suivis de croissance en temps réel sont présentés.Le second axe porte sur la synthèse des échantillons et l'optimisation des paramètres de croissance. Dans cette partie, nous révélons la présence d'un transitoire dans l'incorporation du bore conduisant à une inhomogénéité de dopage des échantillons. Une augmentation de l'incorporation du bore avec le débit a également été observée pour la première fois. Enfin, la détérioration de la qualité cristalline du diamant, au delà d'une concentration critique d'atomes de bore, est identifiée et discutée.Le troisième et dernier axe de ces travaux de recherche, est dédié à l'investigation des propriétés électroniques du diamant fortement dopé par magnéto-transport de 300K à 50 mK. Dans un premier temps, l'importance de la mésa-structuration de croix de Hall lors des mesures de transport est mise en évidence. L'utilisation d'une géométrie « maîtrisée », permet en effet de limiter les courants parasites dus à l'inhomogénéité de dopage des couches. Nous avons ainsi pu construire un diagramme de phase différent de celui qui avait été rapporté dans la littérature. Une phase métallique et non supraconductrice a été mise en évidence pour la première fois. Une étude de la transition métal-isolant est présentée, et les exposants critiques issus de sa modélisation sont discutés. L'étude de l'état supraconducteur enfin, nous a permis d'aboutir à une nouvelle dépendance de la température de transition (Tc) avec le dopage. Cette dernière est comparée aux calculs ab initio de la littérature. Aucune réduction de la Tc avec l'épaisseur n'a en revanche été observée dans la gamme des couches synthétisées à savoir de 10 nm à 2 μm.
Author: Patrice Gonon
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Pages : 127
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EN VUE DE LA REALISATION DE DISPOSITIFS ELECTRONIQUES A BASE DE DIAMANT, NOUS AVONS ETUDIE LE DOPAGE AU BORE DES FILMS POLYCRISTALLINS DE DIAMANT ELABORES PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR. LES FILMS DOPES AU BORE SONT CARACTERISES A L'AIDE DE MESURES DE DIFFRACTION X, D'ABSORPTION DANS L'INFRAROUGE, DE DIFFUSION RAMAN, DE CATHODOLUMINESCENCE, ET DE RESONANCE PARAMAGNETIQUE ELECTRONIQUE. LES PROPRIETES ELECTRIQUES DES FILMS SONT ETUDIEES A L'AIDE DE MESURES DU COURANT EN FONCTION DE LA TENSION ET DE LA TEMPERATURE, DE LA CAPACITE EN FONCTION DE LA TENSION ET DE LA FREQUENCE, ET A L'AIDE DE MESURES DE PHOTOCONDUCTIVITE
Author: PATRICE.. GONON
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EN VUE DE LA REALISATION DE DISPOSITIFS ELECTRONIQUES A BASE DE DIAMANT, NOUS AVONS ETUDIE LE DOPAGE AU BORE DES FILMS POLYCRISTALLINS DE DIAMANT ELABORES PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR. LES FILMS DOPES AU BORE SONT CARACTERISES A L'AIDE DE MESURES DE DIFFRACTION X, D'ABSORPTION DANS L'INFRAROUGE, DE DIFFUSION RAMAN, DE CATHODOLUMINESCENCE, ET DE RESONANCE PARAMAGNETIQUE ELECTRONIQUE. LES PROPRIETES ELECTRIQUES DES FILMS SONT ETUDIEES A L'AIDE DE MESURES DU COURANT EN FONCTION DE LA TENSION ET DE LA TEMPERATURE, DE LA CAPACITE EN FONCTION DE LA TENSION ET DE LA FREQUENCE, ET A L'AIDE DE MESURES DE PHOTOCONDUCTIVITE.
Author: Frédéric Brunet
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Pages : 184
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LE DIAMANT PRESENTE DES PROPRIETES PHYSIQUES INTRINSEQUES EXTREMEMENT ATTRACTIVES QUI SONT NOTAMMENT APPROPRIEES POUR DES APPLICATIONS ELECTRONIQUES. CEPENDANT, IL CONVIENT DE RESTER PRUDENT CAR LES CARACTERISTIQUES GLOBALES DES FILMS (PURETE DE LA PHASE DIAMANT, TAILLES DES CRISTALLITES, EPAISSEUR, MORPHOLOGIE, TEXTURE, CONTRAINTES INTERNES ETC...) DEPENDENT FORTEMENT DES CONDITIONS DE CROISSANCE ET CONDITIONNENT LES PROPRIETES DES FILMS. L'ANALYSE QUANTITATIVE DE LA TEXTURE (LOGICIEL D'ANALYSE DE TEXTURE BEARTEX) DE FILMS DE DIAMANT POLYCRISTALLINS DEPOSES SUR SUBSTRAT DE SILICIUM PAR MPCVD A PERMIS D'ESTIMER L'INFLUENCE DES PARAMETRES D'ELABORATION (TEMPERATURE DU SUBSTRAT, 650-880C, TAUX DE METHANE, 0.3%-2%), DE L'EPAISSEUR DES FILMS (JUSQU'A 70 M) ET DU TAUX D'INCORPORATION DE BORE (JUSQU'A 5X10#2#0 B-CM#-#3) SUR LE DEVELOPPEMENT D'UNE ORIENTATION PREFERENTIELLE AU COURS DE LA CROISSANCE. L'ANALYSE DU PROFIL DES RAIES DE DIFFRACTION A PERMIS D'ETUDIER L'INFLUENCE DU DOPAGE AU BORE SUR LA MICROSTRUCTURE DES FILMS POLYCRISTALLINS. LES RESULTATS ISSUS DES METHODES DES LARGEURS INTEGRALES, DE FOURIER ET DE LA VARIANCE INDIQUENT UNE EVOLUTION (AMELIORATION JUSQU'A 10#1#9 B-CM#-#3 PUIS DETERIORATION) DE LA QUALITE CISTALLINE DES FILMS AVEC LE DOPAGE. UNE ETUDE STRUCTURALE CONJOINTEMENT MENEE SUR DES FILMS POLYCRISTALLINS ET MONOCRISTALLINS DEPOSES RESPECTIVEMENT SUR SUBSTRAT DE SILICIUM ET DE DIAMANT MONOCRISTALLINS MONTRE QUE LE PARAMETRE CRISTALLIN DU DIAMANT AUGMENTE AVEC LE DOPAGE AU BORE. LA DILATATION ATTEINT 0.2% POUR UN DOPAGE DE 8X10#2#0 B-CM#-#3 ET DEVIENT SIGNIFICATIVE AU DELA DE LA TRANSITION SEMICONDUCTEUR-METAL.
Author: Céline Baron
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Pour la réalisation de dispositifs de puissance en diamant la maltrise du dopage bore est nécessaire à la fois pour les faibles (1.5x1019 cm-3, tenue en tension) et les fortes ( 3x1020 cm-3, contacts ohmiques) concentrations de bore. Une étude systématique des propriétés électroniques des couches de diamant - synthétisées par CVD assistée plasma - des faibles (4x1016 cm-3) aux fortes puis lourdes (1.7x1021 cm-3) concentrations de bore a été ici menée par cathodoluminescence (CL). De nouvelles transitions excitoniques ont ainsi été observées pour les faibles dopages. Dans la gamme des faibles et fortes concentrations de bore, les mesures de CL permettent désormais de déterminer les concentrations en bore dans les couches. Elles ont aussi permis de proposer un nouveau modèle pour la position de la bande d'impureté des bores dans le diamant lourdement dopé. La CL a de plus été utilisée comme sonde de profondeur ce qui a permis de détecter des couches interfaciales très minces entre le substrat et les couches homoépitaxiées ainsi que des complexes proches de la surface. Enfin des résultats originaux sur la conversion de diamant de type p en diamant de type n par exposition à un plasma de deutérium sont reportés.
Author: Josiane Mambou
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Author: Jean-Pierre Lagrange
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Languages : fr
Pages : 212
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LE DIAMANT EST UN SEMI-CONDUCTEUR A LARGE BANDE INTERDITE (5.4 EV) TRES PROMETTEUR EN ELECTRONIQUE A HAUTE TEMPERATURE ET DE FORTE PUISSANCE. CEPENDANT, SON UTILISATION EST LIMITEE PAR L'ABSENCE D'UN DOPAGE DE TYPE N. NOUS AVONS ETUDIE DANS CETTE THESE LE DOPAGE AU BORE DU DIAMANT (TYPE P), ET L'INCORPORATION DE PHOSPHORE ET D'AZOTE DANS LE DIAMANT PAR IMPLANTATION IONIQUE. NOUS AVONS ELABORE DES COUCHES MINCES DE DIAMANT PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR ASSISTE PAR PLASMA MICRO-ONDE. NOUS AVONS UTILISE DANS NOTRE ETUDE DIVERSES TECHNIQUES DE CARACTERISATION : SPECTROSCOPIE DE DIFFUSION RAMAN, RESONANCE PARAMAGNETIQUE ELECTRONIQUE, RESISTIVITE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE (DE 100K A 1000K), EFFET HALL, COURANTS THERMO-STIMULES, THERMOLUMINESCENCE. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT QUE LE DOPAGE AU BORE EST AUJOURD'HUI BIEN MAITRISE. DES MESURES ELECTRIQUES SUR UNE LARGE GAMME DE CONCENTRATION (DE 5 10#1#6 A 8 10#2#0 B.CM#-#3) MONTRENT TROIS REGIMES DE CONDUCTION DIFFERENTS : CONDUCTION PAR SAUT PAR PLUS PROCHE VOISIN, CONDUCTION PAR LA BANDE DE VALENCE, CONDUCTION METALLIQUE. NOUS AVONS MONTRE POUR LA PREMIERE FOIS UNE SATURATION DE LA CONDUCTIVITE ET UNE ENERGIE D'ACTIVATION A HAUTE TEMPERATURE E#A/2 TYPIQUE D'UN TAUX DE DEFAUTS COMPENSATEURS INFERIEUR A 10%. NOUS AVONS MONTRE QUE L'IMPLANTATION EST LA METHODE LA PLUS EFFICACE POUR INCORPORER DE L'AZOTE EN SITE SUBSTITUTIONNEL DANS LE DIAMANT. NEANMOINS, L'INCORPORATION D'AZOTE SEMBLE INDUIRE INDIRECTEMENT DES DEFAUTS PARAMAGNETIQUES DANS LE DIAMANT. NOUS AVONS AUSSI MONTRE QUE L'INCORPORATION DE PHOSPHORE EN SITE SUBSTITUTIONNEL EST POSSIBLE. NOUS AVONS DEFINI UN SEUIL D'AMORPHISATION COMPRIS ENTRE 3 ET 4 10#1#4 P.CM#-#2. TOUTEFOIS, UN NOUVEAU DEFAUT PARAMAGNETIQUE QUI SEMBLE ETRE INDUIT PAR LE PHOSPHORE APPARAIT APRES RECUIT. LA CONDUCTION EST ENCORE DOMINEE PAR LES DEFAUTS CREES PAR L'IMPLANTATION IONIQUE. CES RESULTATS SONT TRES PROMETTEURS POUR DES APPLICATIONS FUTURES EN MICROELECTRONIQUE.
Author: Mei Wang
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Languages : en
Pages : 162
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Le diamant présente des caractéristiques physique, chimique et mécanique exceptionnelles : une grande conductivité thermique, une dureté très élevée, une large bande, une transparence optique (de l'UV à l'IR) et une grande stabilité chimique. C'est un semi-conducteur à grand gap (5,45eV) possédant de bonnes propriétés mécaniques et caractérisé par ses propriétés de biocompatibilité. Le dopage de celui-ci lui confère de bonnes propriétés de conduction électrique et donc ouvre des perspectives pour son utilisation en bioélectronique. Pour cette fin, il est devenu urgent de développer une chimie de surface spécifique pour introduire des fonctions chimiques ou biologiques sur la surface. Mon travail de thèse s'inscrit dans cette perspective. D'un point de vue technologique, le diamant cristallin est très cher et donc notre étude a été limitée au diamant polycristallin. Dans cette thèse, on a contribué à la mise au point de nouvelles méthodes de fonctionnalisation de la surface de diamant. Ces méthodes sont basées sur des concepts chimique, photochimique et électrochimique et permettent d'introduire des groupements fonctionnels sur la surface de diamant de façon contrôlée. La première partie de ma thèse concerne la réaction d'oxydation de la surface de diamant hydrogéné en utilisant trois différentes techniques: plasma d'oxygène, voie électrochimique et UV/ozone. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai utilisé pour la première fois la réaction de couplage par " click ". La troisième partie de ma thèse concerne l'étude de la réactivité des surfaces de diamant oxydé avec un liquide ionique (IL, 1-(Methylcarboxylcacid)-3octylimidazolium-bis (tritluoromethyl sulfonyl) imide). Finalement, nous avons mis au point une nouvelle technique d'halogénation de la surface de diamant hydrogéné.
Author: Frederic Fontaine
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Languages : fr
Pages : 198
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LE BUT DE CETTE THESE EST D'ETUDIER LES ASPECTS STRUCTURAUX ET ELECTRIQUES DE L'IMPLANTATION IONIQUE DE BORE DANS DES COUCHES DE DIAMANT. LA THESE DEBUTE PAR LA PRESENTATION DES TECHNIQUES D'ELABORATIONS DES COUCHES ET PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE QUELQUES PARAMETRES EXPERIMENTAUX. LES NOTIONS DE BASE DE L'IMPLANTATION IONIQUE ET UN RAPIDE HISTORIQUE DE L'APPLICATION DE CETTE TECHNIQUE AU DIAMANT FONT L'OBJET DU SECOND CHAPITRE. DANS LE TROISIEME CHAPITRE, LES CARACTERISATIONS STRUCTURALES ET ELECTRIQUES DES COUCHES NON RECUITES DANS UN PREMIER TEMPS, PUIS RECUITES DANS UN DEUXIEME TEMPS, MONTRENT LA STABILITE DE LEURS PROPRIETES INTRINSEQUES. L'INFLUENCE DE L'IMPLANTATION IONIQUE DE BORE SUR LES PROPRIETES STRUCTURALES ET ELECTRIQUES DE COUCHES NON RECUITES EST ETUDIEE AU QUATRIEME CHAPITRE. NOUS MONTRONS QU'IL EXISTE UNE DOSE D'IMPLANTATION SEUIL, AU DELA DE LAQUELLE LA ZONE IMPLANTEE SUBIT UNE TRANSFORMATION DE PHASE, DU DIAMANT VERS LE CARBONE AMORPHE. LE SIGNAL RPE ETROIT PROVIENT DE DEFAUTS SITUES DANS LE VOLUME DES CRISTALLITES ET LE SIGNAL RPE LARGE PROVIENT DE DEFAUTS SITUES AUX JOINTS DE GRAINS. LA METHODE DE RECUIT PAR ENCAPSULATION DE NITRURE DE SILICIUM EST PRESENTEE AU CINQUIEME CHAPITRE. CETTE TECHNIQUE PERMET DE RECUIRE LES COUCHES DE DIAMANT SOUS ARGON A 1300C PENDANT AU MOINS 6 HEURES, TOUT EN CONSERVANT L'INTEGRITE DE LA COUCHE. DANS LE DERNIER CHAPITRE, NOUS MENONS L'ETUDE DE L'INFLUENCE DU RECUIT SUR LES COUCHES IMPLANTEES. NOUS MONTRONS QUE LES ATOMES DE BORE NE DIFFUSENT PAS, PUIS QUE LA GUERISON DES DEFAUTS D'IMPLANTATION EST SUFFISANTE POUR PERMETTRE LE DOPAGE DES COUCHES DE DIAMANT. NOUS TERMINONS EN DEVELOPPANT UN MODELE DE LA COMPENSATION PRENANT EN COMPTE L'IONISATION PARTIELLE DE NIVEAU COMPENSATEUR AINSI QUE L'EXISTENCE D'UN FACTEUR DE DEGENERESCENCE NETTEMENT PLUS ELEVE QUE SA VALEUR CLASSIQUE
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Category : Astrophysics
Languages : en
Pages : 712
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