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The defence wil be in French.
Abstract: Face à la demande croissante d’énergie et aux défis climatiques, il est essentiel de développer des composants électroniques de puissance plus efficaces, capables de réduire les pertes énergétiques tout en favorisant l’énergie propre. Le diamant, avec ses propriétés uniques (large bande interdite, faible constante diélectrique, conductivité thermique élevée et tenue aux hautes tensions), surpasse les matériaux classiques comme le silicium. Cette thèse vise à optimiser les diodes Schottky en diamant, essentielles pour la régulation des courants électriques. Pour améliorer leurs performances, une couche intermédiaire dopée à l’azote est introduite entre le métal Schottky et la couche active, afin d’augmenter la hauteur de la barrière et réduire les courants de fuite.
La thèse s’articule autour de plusieurs axes : la conception, la simulation, la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky en diamant intégrant cette couche dopée. Elle explore également la faisabilité de produire des diodes sur des substrats élaborés par la technologie SmartCut™ qui présentent des perspectives intéressantes pour améliorer la production à grande échelle des composants en diamant.
Le chapitre 1 donne un aperçu des matériaux à large et ultra-large bande interdit, notamment le diamant, en comparaison avec d’autres matériaux comme le silicium, le carbure de silicium et l’oxyde de gallium. Il met en évidence les propriétés exceptionnelles du diamant, telles que sa robustesse thermique et électrique, tout en abordant les défis liés à sa synthèse et à son coût. L’analyse des diodes Schottky, PiN et Schottky-pn permet de mieux comprendre leurs avantages et leurs limitations dans les appareils électroniques puissance.
Le chapitre 2 se concentre sur la formation des contacts métal/semiconducteur et sur les modèles théoriques expliquant le transport du courant à travers ces interfaces. Il examine l’impact de l’épaisseur et de la concentration d’azote sur la hauteur de la barrière et le champ électrique à l’interface. Les simulations, réalisées avec Nextnano, montrent que l’ajout d’une couche d’azote améliore la barrière Schottky et diminue l’intensité du champ à l’interface pouvant les courants de fuite.
Le chapitre 3 décrit le procédé de fabrication des diodes Schottky et SPND, en mettant l’accent sur la croissance des couches de diamant et la métallisation pour les contacts ohmiques et Schottky. Des traitements thermiques et de surface sont réalisés pour optimiser la qualité des interfaces. Plusieurs échantillons ont été développés avec des épaisseurs et des approches différentes pour effectuer des comparaisons sur les performances. Un échantillon unique avec une croissance sélective permet une comparaison directe entre des diodes avec et sans couche d’azote. Un nouveau traitement de surface pour obtenir des terminaisons OH a aussi été étudié. Les mesures électriques montrent que cette couche réduit les courants de fuite de deux ordres de grandeur tout en améliorant la tenue en tension. Toutefois, des ajustements sont nécessaires pour optimiser les performances du dispositif.
Le chapitre 4 explore l’utilisation de substrats de diamant transférés par la technologie SmartCut™ et modifiés par implantation d’hydrogène pour la fabrication de diodes Schottky. Les résultats expérimentaux montrent que les diodes sur diamant transféré présentent une densité de courant inférieure à celle attendue et une résistance série élevée, principalement en raison du dopage limité. Les substrats modifiés par implantation d’hydrogène montrent des performances globales similaires entre les zones exfoliées et non exfoliées, bien que des courants de fuite légèrement accrus soient observés dans les zones exfoliées.
Ces travaux exploratoires montrent la faisabilité de la fabrication de diodes Schottky en diamant à partir de ces nouveaux procédés et terminaisons, ouvrant la voie à une production à grande échelle de composants de puissance en diamant, avec des performances améliorées.
