Etude d`un gaz 2D de trous confinés dans du diamant

Etude d’un gaz 2D de trous confinés dans du diamant
δ-dopé au bore
Proposition de stage M2 Recherche et poursuite en thèse
Institut Néel UPR 2940 – CNRS – 25 rue des Martyrs – Polygone scientifique
Encadrants: Julien Pernot
Courriel du responsable scientifique : [email protected]
Le diamant est un semi-conducteur exceptionnel en raison de sa très grande mobilité
de porteurs (électrons et trous), sa très forte conductivité thermique et sa capacité à tenir des
champs électrique intenses. Toutes ces propriétés font de ce matériau un très bon candidat
pour des applications où la haute puissance et la haute fréquence sont nécessaires
simultanément. C’est le cas de transistor à effet de champ (δ-FET) que nous proposons
d’étudier lors de cette thèse. Cette thématique de recherche est soutenue par une ANR qui a
commencé en janvier 2009 et qui nécessite un renfort en personnel de type étudiant en thèse.
Le travail de la thèse se situe dans les domaines de la simulation, de l'élaboration et de
la caractérisation de matériaux diamant très dopés au bore sur une très fine épaisseur (δdopée), ne dépassant pas quelques nm, et peu dopé sur le reste de la structure. Les objectifs se
déclinent selon les axes suivants : étude des conditions de fabrication des couches
homoépitaxiées de diamant peu dopé et très dopées (δ-dopée) au bore ; étude théorique par
simulation numérique au niveau microscopique par résolution des équations de SchrödingerPoisson couplées dans la couche δ-dopée et vérification expérimentale de ses propriétés de
transport ; simulation par éléments finis de diverses architectures et réalisation de transistor à
effet de champ (δ-FET), permettant d’associer grande vitesse de commutation et hautes
tensions afin de dépasser les limites aujourd’hui atteintes dans le domaine des interrupteurs
commandés pour l’électronique de puissance ; technologie de réalisation du δ-FET et des
composants associés (motifs de tests et diodes Schottky).
Le principe de fonctionnement du δ-FET est d’enterrer sous une relativement fine
couche de diamant faiblement dopé au Bore (quelques 1014 B/cm3 sur quelques dizaines de
nm) ou sous une couche d’oxyde diélectrique (Al2O3 comme premier choix), une très fine
couche de diamant très fortement dopé au Bore (4×1020 B/cm3 sur quelques nanomètres). La
quantification des états d’énergie des trous au niveau de la couche δ-dopée et la création d’un
gaz de trous 2D permettra d’augmenter notablement la mobilité des trous et ainsi d’obtenir
une conductance en état « ON » très élevée. L’état « OFF » sera alors atteint en dépeuplant le
gaz 2D au moyen la grille située sur la surface. Différentes architectures visant à augmenter la
tension maximale à l’état « OFF » seront étudiées, en particulier celles dans lesquelles le
canal est constitué par une couche δ-dopée interrompue par une (ou des) zone(s) peu dopée(s),
afin de trouver le meilleur compromis entre la plus haute transconductance et la plus forte
tenue en tension drain-source.
Le(a) doctorant(e) recruté(e) devra utiliser les différents outils de l’Institut Néel et des
partenaires de l’Institut Néel dans le cadre du projet en cours DELTADIAM (ESRF, LISTCEA, IEMN) afin de réaliser les différentes étapes de cette étude. Dans un premier temps, il
collaborera avec le personnel impliqué dans le projet DELTADIAM au sujet du polissage du
diamant, de sa croissance et de sa gravure afin d’obtenir une surface de substrat de grande
qualité (absence de couche endommagée) et très plate (typiquement la rugosité de départ pour
l’épitaxie devra être inférieure à l’épaisseur de la couche δ-dopée) et de faire croître les
couches δ-dopées dans des conditions optimales. L’accent sera ensuite mis d’une par sur la
technologie permettant d’obtenir les contacts métalliques nécessaires (drain, source, puis
grille dans un second temps, en collaboration avec les services de nanofabrication de l’Institut
Néel) pour les δ-FET et diodes Schottky ainsi que les structures d’isolation adéquates, et
d’autre part sur la simulation des propriétés de transport de la couche δ-dopée au niveau
microscopique. Les effets physiques mis en jeu dans ce type de structure seront étudiés par
mesures de transport (effet Hall à faible et fort champ magnétique, mesures capacitives et de
conduction dans différents régimes). Finalement, une ou deux architectures optimales seront
déterminées par simulation des propriétés électriques de transport des charges dans la
structure soumise aux tensions de commande et de charge, en portant une attention
particulière à l’état bloqué ; la technologie de réalisation sera mise en œuvre en collaboration
avec les services de nanofabrication de l’Institut Néel ou de l’IEMN si nécessaire et des tests
des propriétés électriques seront effectués si possible en collaboration avec les laboratoires de
Génie Electrique grenoblois (G2ELAB) et lyonnais (AMPERE).
Compétences:
Le candidat devra avoir suivi des cours de physique des semi-conducteurs. Des notions sur les
techniques de croissance, plasma et caractérisation de matériaux seraient des plus.