Bienvenue sur le site du projet ANR CROISADD

Ce projet a été déposé dans le cadre de l'appel à projet ASTRID. Ce projet vise à fournir une meilleure compréhension des mécanismes de formation et propagation des dislocations dans le cristal de diamant et de leur interaction avec le front de croissance, avec l'objectif final de synthétiser des cristaux sans défauts.

Résumé du projet :

La demande mondiale croissante en énergie électrique nécessite l'utilisation de convertisseurs de puissance toujours plus efficaces afin de contrôler et distribuer les flux électriques entre les usines de production et les consommateurs tout en assurant une perte minimale. Les applications militaires bénéficieront également du développement de commutateurs plus performant. En effet, les systèmes d’armement doivent constamment être améliorés au niveau de leurs performances de lancement et de leur facilité de déplacement. Une des clés de ce succès repose sur la possibilité de contrôler et libérer instantanément de l’énergie (de manière répétitive ou non). Cette libération d’énergie est habituellement assurée par des composants classiques tels que des condensateurs mais peut l’être également par des commutateurs qui sont précisément l’objet de cette étude. Les semi-conducteurs à large bande interdite traditionnels tels que le GaN ou le SiC sont de bons candidats pour remplir cette tâche ce qui explique les efforts de recherche intenses qui ont été consacrés à l'amélioration de leur synthèse et de leurs propriétés. Les premiers dispositifs de puissance basée sur ces matériaux sont maintenant en cours de commercialisation.

En raison de ses propriétés inégalées, le diamant CVD constitue le matériau semi-conducteur ultime en vue de repousser les frontières de fonctionnement des dispositifs d’électroniques de puissance actuels. Les améliorations de la technique CVD assistée plasma permet désormais la synthèse de manière routinière de films de diamant intrinsèques ou dopés p, mais l'utilisation de ce matériau en électronique a été largement compromise par la difficulté à obtenir des cristaux exempts de défauts. Par ailleurs, la faible reproductibilité des caractéristiques des films est principalement liée à la présence de défauts étendus tels que des dislocations qui ont un effet catastrophique sur les tensions de claquage et les mobilités de porteurs. L’obtention d'une manière reproductible de cristaux de diamant pratiquement exempts de dislocations constitue l’un des verrous essentiels qui, si il était levé, pourrait permettre d’ouvrir la voie à une filière diamant pour l’électronique de puissance. Il s’agit ici de l’objectif principal du projet.

Les dislocations dans les monocristaux CVD qui sont généralement autour de 104 à 105 cm-2, ont deux origines principales: (i) les dislocations déjà présentes dans les substrats qui s'étendent dans la couche CVD, (ii) les dislocations générées lors des premières étapes de la croissance épitaxiale ou à chaque reprise d’épitaxie. Ces dislocations se propagent inexorablement dans le sens de la croissance et émergent à la surface de la couche d'où elles génèrent parfois des défauts de croissance (hillocks, cristallites non-épitaxiées).

Ce projet vise à fournir une meilleure compréhension des mécanismes de formation et propagation des dislocations dans le cristal de diamant et de leur interaction avec le front de croissance, avec l'objectif final de synthétiser des cristaux sans défauts. Notre approche consistera en un processus itératif : préparation de la surface des substrats par polissage, gravure, texturation ou masquage, suivi du dépôt de couches de diamant CVD qui seront ensuite caractérisées en utilisant des techniques pertinentes, telles que le TEM, la biréfringence, la topographie des rayons X ou la gravure sélective afin d'évaluer les types de dislocations formées et leur densités. Nous déterminerons ainsi les conditions qui permettront d’inhiber la formation de nouvelles dislocations, ou de faire en sorte que les dislocations existantes seront bloquées ou déviées afin qu’elle ne se propagent pas dans le cristal. Ce travail se basera sur des stratégies qui ont déjà fait leurs preuves pour d’autres matériaux semi-conducteurs tels que le GaN et qui seront mises en oeuvre pour la première fois lors de la synthèse de diamant. Les propriétés électroniques des meilleurs cristaux de diamant seront ensuite évaluées par des mesures de temps de vol et la possibilité d'utiliser ces cristaux en temps que substrats pour des croissances supplémentaires sera considérée.

Ce projet réunira des partenaires qui sont experts dans la synthèse de semi-conducteurs à grande bande interdite et leur caractérisation (LSPM, LMGP, GEMaC) et la caractérisation des dislocations par TEM (CEMES). Il devrait enfin permettre l’obtention de cristaux de qualité électronique nécessaire au développement d’une filière technologique diamant pour l’électronique de puissance.

 

Project Summary

The increasing worldwide demand in electric energy requires the use of efficient power converters in order to control and dispatch the large electrical flows between production plants and loads with a minimum loss. Military applications can also benefit from more efficient power switches. Indeed, current weapon systems must constantly improve their performance in terms of launching and mobility and one of the keys to success relies in our ability to develop solutions to a controlled release of very high instantaneous energy (repetitive or not). Transient or on impulse, this energy release is usually ensured by common components such as capacitors, but also involves switching components which are more precisely the scope of this project. Traditional wide bandgap semiconductors such as GaN or SiC are good candidates to fulfil this task and intense research efforts have been devoted to the improvement of their synthesis and properties. The first power-devices based on these materials are now on the way to be commercialized.

Due to its outstanding and unrivalled properties, CVD diamond is the ultimate large bandgap semiconductor that could drastically push the performance of the actual power electronic devices. The improvements of plasma assisted CVD techniques has led to the routine synthesis of intrinsic or p-doped diamond layers, but the use of this material in electronics has been largely compromised by the lack of thick defect-free crystals. Moreover poor reproducibility is believed to be mostly due to extended defects such as dislocations that have a catastrophic effect on breakdown voltages and carrier mobilities. Obtaining in a reproducible way, diamond crystals that are virtually free of dislocations constitutes one of the essential issues which, if addressed, could open the path to high-performance diamond based power devices. This is the main objective of the present project.

Dislocations in CVD single crystals are typically in the range of 105 to 106 cm-2 and have two main origins: (i) dislocations already present in the substrates that extend into the CVD layer, (ii) dislocations generated at the early stages of the epitaxial growth, near the substrate or every time the growth is stopped and resumed. These dislocations inevitably propagate in the direction of growth (threading dislocations) and emerge at the surface of the layer where they sometimes generate growth features (hillocks, unepitaxial crystals).

This project intends to provide a better understanding of the mechanisms of dislocations formation and propagation in the diamond crystal and their interaction with the growth front, with the final objective to grow defect-free crystals. Our approach involves an iterative process based on: the preparation of substrates surface by polishing, etching, texturing or masking, followed by the deposition of CVD diamond films which will then be thoroughly characterised using relevant techniques such as TEM, birefringence, X-ray topography or selective etching in order to assess the dislocation types and densities. Appropriate treatments and growth conditions will therefore either inhibit the formation of new dislocations, or ensure that existing dislocations will be blocked or bent over and will not further propagate into the crystal lattice. This work is based on strategies that have proved to be efficient for other semiconductors such as GaN and that will be used for the first time for diamond synthesis. The electronic properties of the best diamond crystals synthesized in this project will then be evaluated by time-of-flight measurements and the possibility of using such crystals as substrates for further growths will be considered.

This project will bring together partners that are expert in large bandgap semiconductor growth and their characterizations (LSPM, LMGP, GEMaC) and dislocation characterization by TEM (CEMES). It will ensure the real breakthrough that is needed to develop an electronic-grade-diamond technology sector.