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SCM diamant CVD

Thème Semi-conducteurs à large bande interdite pour l'optoélectronique : Diamant CVD


De par sa large bande interdite (5.5 eV) le diamant suscite un grand intérêt en vue de son utilisation dans le domaine de la détection dans l'UV. Le thème de recherche diamant CVD a été introduit dans l'équipe en 2000 avec le démarrage de la thèse de José Alvarez, et renforcé par son recrutement au CNRS en 2005, après un séjour post-doctoral au NIMS (National Institute for Materials Science) à Tsukuba, dans un groupe en pointe sur le dopage du diamant de synthèse et son utilisation pour la détection de rayonnements. Grâce à une forte collaboration avec ce groupe, notamment au travers d'un projet entrant dans le cadre de l'accord signé entre le CNRS et le NIMS, nous avons pu intervenir non seulement dans les aspects de caractérisation, mais aussi dans la conception et la réalisation de détecteurs, en utilisant les moyens technologiques disponibles à Tsukuba.

Plusieurs études nous ont conduit à caractériser les performances de dispositifs photoconducteurs qui ont été fabriqués sur des couches de diamant CVD homoépitaxié [ACL.4.23, ACL.4.24, ACL.4.26, ACL.4.38, ACL.4.39, ACL.4.40]. En particulier, des études de microscopie en champ proche par AFM à pointe conductrice, dit «resiscope», ont été réalisées sur des dispositifs planaires de type Schottky et métal-semiconducteur-métal (MSM). Ces études ont permis de mettre en évidence des inhomogénéités au niveau du contact Schottky, qui sont à l'origine d'un mauvais facteur d'idéalité (n>>2) et d'un pouvoir rectifiant médiocre de la diode. Outre ces mesures de courant, des mesures innovantes de photocourant local ont été mises en place grâce à l'adaptation d'une source de lumière UV à la technique du résiscope, permettant ainsi l'analyse des propriétés photoélectriques à une échelle mésoscopique. Nous avons aussi mis en évidence un gain de photoconductivité et des phénomènes de persistance du photocourant sur les détecteurs de type MSM.

Un des objectifs principaux pour l'optimisation de détecteurs UV à base de diamant est d'augmenter le facteur de sélectivité UV/visible (rapport entre le photocourant mesuré sous illumination à 200 nm et celui mesuré à 600 nm) et le rapport ON/OFF (rapport entre courant sous lumière à 200 nm et courant d'obscurité). Nous avons pu élaborer des photodétecteurs MSM à structure interdigitée (figure 4) offrant des faibles valeurs de courant d'obscurité et une plus grande sensibilité UV tout en gardant des bonnes performances en termes de temps de réponse [ACL.4.39, ACL.4.40]. Notre deuxième approche en cours de développement consiste à modifier l'état de surface du diamant, ce qui a pour effet de «jouer» sur les propriétés de conduction et de photoconduction des dispositifs planaires de surface. Grâce à des traitements d'ozonisation de la surface, nous avons pu obtenir des performances de sélectivité UV/visible inédites (facteur de sélectivité proche de 108, cf figure 5).

Vue de structures MSM interdigitées sur diamant. L'espace inter-électrodes est de 10 µm.

Figure 4 : Vue de structures MSM interdigitées sur diamant. L'espace inter-électrodes est de 10 µm.

Réponse spectrale d'un détecteur MSM en diamant

Figure 5 : Réponse spectrale d'un détecteur MSM en diamant après hydrogénation de la surface (a), puis après traitement à l'ozone de plusieurs durées (b), (c) et (d).

 

Perspectives


L'accent sera mis sur le brevet international que nous avons co-déposé avec nos collègues du Sensor Material Center du NIMS (National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japon). Ce brevet porte sur l'utilisation d'un traitement de surface par l'ozone pour améliorer les performances de détection UV de dispositifs planaires fabriqués sur une surface de diamant hydrogénée. Cette surface est complexe et doit faire l'objet de recherches approfondies en termes d'analyses chimique et structurale. Il s'agit de comprendre comment une surface de diamant initialement hydrogénée se modifie par le traitement à l'ozone (insertion ou adsorption d'atomes d'oxygène, remplacement d'hydrogène en surface). Outre les caractérisations électroniques menées à différents stades du procédé d'ozonisation, des études physico-chimiques par les techniques d'analyse de surface (spectroscopie Auger et de photoélectrons) seront mises en oeuvre. Pour faciliter l'échange d'information et de savoir-faire avec nos partenaires japonais, deux nouveaux projets de coopération bilatérale (SAKURA et CNRS-JSPS) seront soumis cette année. Le projet CNRS-JSPS sera axé sur les études de stabilité de la surface du diamant suite au post-traitement par ozone. En effet, des contraintes liées à l'environnement d'utilisation (atmosphères et températures hostiles) des dispositifs peuvent favoriser des nouvelles réactions en surface, susceptibles de dégrader fortement les propriétés de photodétection. Une solution consiste à passiver la surface en déposant une couche de haute qualité diélectrique (oxyde de silicium, nitrure de silicium...) et à encapsuler les dispositifs sous atmosphère contrôlée (Ar, N) ou sous vide. Cette dernière étape sera prise en charge par la société Hamamatsu Photonics qui effectuera des tests de tenue et de vieillissement sous fort flux UV délivré par des lampes excimères. Le projet SAKURA, quant à lui, visera à explorer une nouvelle catégorie de détecteurs UV à base d'hétérojonctions associant du diamant homoépitaxié et du silicium amorphe (dont la tenue aux radiations est également supérieure à celle du silicium cristallin). Le dopage de diamant de type p par le bore et le dopage au phosphore du silicium amorphe de type n seront réalisés respectivement au NIMS et au LPICM. La croissance de cette jonction s'effectuera sur des substrats de diamant fortement dopés au bore, ce qui permettra la réalisation de structures transverses. Des premiers essais ont montré des bonnes caractéristiques de diodes en termes de valeur de rectification du courant (>105 à  2 Volts) malgré la non isolation électrique des dispositifs par gravure. En termes de réponse spectrale il faut noter, compte tenu des épaisseurs des couches de silicium amorphe déposées, un élargissement de la réponse dans le visible, qui rend le détecteur moins sélectif aux UV. Plusieurs solutions sont envisagées pour améliorer cette tendance, à savoir l'amincissement de la couche de silicium amorphe et/ou le recouvrement de la couche de silicium amorphe par un colorant qui interagit avec les UV en luminesceant à une longueur d'onde dans le rouge. Ces solutions contribueront à une diminution de la réponse du détecteur dans le visible et/ou à augmenter celle-ci dans l'UV.

Soulignons pour finir l'engagement d'une personne de l'équipe (José Alvarez) comme membre du comité scientifique et d'organisation du GDR 3181 «Elaboration, fonctionnalisation, physique et applications du diamant » créé en 2008. Nous allons co-organiser la première réunion GDR qui aura lieu en octobre 2008 au CNAM de Paris. Par ailleurs, nous participons à la constitution d'un projet d'école thématique intitulé «Le diamant: sous quelle forme et pour quel type d'applications? » qui a été soumis cette année au CNRS et qui sera évalué en 2009.