Lefevre, Jérémie (2008) Study of the effects of irradiation by electrons in silicon carbide. PhD thesis LSI, LSI, EP/X p.162.

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Abstract

Table of content

Avant-propos 1
Introduction générale 2
1Généralités sur SiC 7
1.1 Introduction - 7
1.2 Historique - 7
1.3 Aspects structuraux - 8
1.3.1 Propriétés physiques et électroniques du SiC - 10
1.3.2 Propriétés physiques - 10
1.3.3 Propriétés électroniques - 11
1.3.4 Comparaison du SiC avec d’autres semiconducteurs - 12
1.4 Procédés d’élaboration - 12
1.4.1 SiC massif monocristallin - 12
1.4.1.1 Méthode de Lely - 12
1.4.1.2 Méthode de Lely modifiée - 12
1.4.2 Couchesminces de SiC sur substrat Si - 13 ´
1.4.2.1 Epitaxie par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) - 14 ´
1.4.2.2 Epitaxie en phase liquide (LPE) - 14 ´
1.4.2.3 Epitaxie par jet moléculaire (MBE) - 15
1.4.3 Le dopage du carbure de silicium - 15
1.4.3.1 Dopage in situ - 15
1.4.3.2 Dopagelocalisé par diffusion - 16
1.4.3.3 Dopage localisé par implantation ionique - 16
1.5 Applications du SiC - 17
1.5.1 Filière de la microélectronique - 17
1.5.1.1 Applications haute température - 17
1.5.1.2 Applications haute puissance et haute fréquence - 17
1.5.2 Filière de l’électronucléaire - 17
1.5.2.1 Réacteurs de quatrième génération - 17
1.5.2.2 Réacteurs à caloporteur gazeux à haute température (GFR et VHTR) 18
1.5.2.3 Confinement de la matière fissile - 19
1.6 Défauts ponctuels dans SiC - 20
1.6.1 Généralités - 21
1.6.1.1 Interaction particule chargée-matière - 21
1.6.1.2 Cas des irradiations aux électrons - 21
1.6.1.3 Cas des irradiations aux protons et aux ions lourds - 25
1.6.2 Classification des défaut sponctuels - 25
1.6.3 Etats de charge et énergies de formation - 27
1.6.4 Réaction et interaction des défauts ponctuels - 28
1.6.4.1 Migration - 28
1.6.4.2 Annihilation - 30
'
1.6.5 Etat de l’art - 31
1.6.5.1 Défauts d’irradiation dans SiC - 31
1.6.5.2 Recuit des défauts d’irradiation dans SiC - 35
1.7 Conclusion du chapitreI - 36
2 Moyens expérimentaux 37
2.1 Introduction - 37
2.2 Dispositifs d’irradiation - 37
2.2.1 Cyclotrons du CERI (H+) et du GANIL (ionslourds) - 37
2.2.1.1 Dispositif du CERI - 38
2.2.1.2 Dispositif du GANIL - 38
2.2.2 Accélérateur Van de Graaff du LSI(e−) - 38
2.2.2.1 Présentationdel’installation - 38
2.2.2.2 Déroulementd’uneirradiation - 39
2.3 Photoluminescence à basse température (LTPL) - 40
2.3.1 Théorie - 40
2.3.1.1 Mécanismes de recombinaison - 41
2.3.1.2 Effet de la température - 43
2.3.2 Dispositifs expérimentaux - 43
2.3.2.1 Mesures hors ligne - 43
2.3.2.2 Mesures in situ - 44
2.3.2.3 Evaluation des performances du système optique - 47
2.3.2.4 Estimation des incertitudes sur la mesure - 47
2.4 Résonance paramagnétique électronique (RPE) - 48
2.4.1 Théorie - 48
2.4.1.1 Moment magnétique dans un champ magnétique - 48
2.4.1.2 Principe de la RPE - 50
2.4.2 Dispositifs expérimentaux - 52
2.4.2.1 RPE classique - 52
2.4.2.2 RPE sous éclairement - 53
2.4.2.3 Estimation des incertitudes sur la mesure - 54
2.5 Conclusion du chapitreII - 55
3 Défauts natifs dans le 3C-SiC 57
3.1 Introduction - 57
3.2 Caractérisation des monocristaux élaborés par CVD - 57
3.2.1 Description des échantillons - 57
3.2.1.1 Monocristaux massifs HOYA - 57
3.2.1.2 Monocristaux NovaSiC sur substrat Si - 58
3.2.2 Mesures de LTPL - 58
3.2.2.1 Introduction - 58
3.2.2.2 Détails expérimentaux - 59
3.2.2.3 Résultats - 59
3.2.2.4 Discussion - 63
3.2.2.5 Conclusion - 65
3.2.3 Mesures de RPE - 65
3.2.3.1 Introduction - 65
3.2.3.2 Détails expérimentaux - 65
3.2.3.3 Résultats et discussion - 65
3.2.3.4 Conclusion - 67
3.3 Caractérisation des monocristaux obtenus par LPE - 68
3.3.1 Description des échantillons CRHEA/NovaSiC - 68
3.3.2 Mesures de LTPL - 68
3.3.2.1 Introduction - 68
'
3.3.2.2 Détails expérimentaux - 68
3.3.2.3 Résultats et discussion - 68
3.3.2.4 Conclusion - 71
3.4 Conclusion du chapitreIII - 71
4 Défauts ponctuels induits par irradiation dans le 3C-SiC 73
4.1 Introduction - 73
4.2 Défauts d’irradiation détectés par LTPL - 74
4.2.1 Défauts induits par irradiation avec des électrons - 74
4.2.1.1 Introduction - 74
4.2.1.2 Détails expérimentaux - 74
4.2.1.3 Résultats - 75
4.2.1.4 Discussion - 79
4.2.1.5 Conclusion - 80
4.2.2 Défauts induits par irradiation avec des protons et des ions carbone - 81
4.2.2.1 Introduction - 81
4.2.2.2 Détails expérimentaux - 81
4.2.2.3 Résultats et discussion - 82
4.2.2.4 Conclusion - 84
4.2.3 Détermination de Ed(Si) et estimation de l’énergie seuil de création des défauts d’irradiation - 85
4.2.3.1 Introduction - 85
4.2.3.2 Détails expérimentaux - 86
4.2.3.3 Résultats - 87
4.2.3.4 Discussion - 91
4.2.3.5 Conclusion - 92
4.3 Défauts d’irradiation détectés par RPE - 92
4.3.1 Influence du type de particules incidentes sur la nature des défauts observés 92
4.3.1.1 Introduction - 92
4.3.1.2 Détails expérimentaux - 94
4.3.1.3 Résultats - 95
4.3.1.4 Discussion - 96
4.3.1.5 Conclusion - 99
4.3.2 Etude du signal de RPE en fonction de la fluence d’électrons - 99
4.3.2.1 Introduction - 99
4.3.2.2 Détails expérimentaux - 101
4.3.2.3 Résultats et discussion - 101
4.3.2.4 Conclusion - 102
4.3.3 Détection et caractérisation d’un nouveau centre de défaut (TX ) en RPE sous éclairement - 102
4.3.3.1 Introduction - 102
4.3.3.2 Détails expérimentaux - 102
4.3.3.3 Résultats - 103
4.3.3.4 Discussion - 106
4.3.3.5 Conclusion - 110
4.4 Conclusion du chapitre IV - 111
5 Recuit des défauts ponctuels induits par irradiation dans le 3C-SiC 113
5.1 Introduction - 113
5.2 Evolution des défauts d’irradiation dans le domaine des basses températures - 114
5.2.1 Introduction - 114
5.2.2 Détails expérimentaux - 115
5.2.3 Résultats et discussion - 115
5.2.4 Conclusion - 118
'
5.3 Evolution des défauts d’irradiation dans le domaine des hautes températures ... 118
5.3.1 Introduction - 118
5.3.2 Détails expérimentaux - 119
5.3.3 Résultats - 119
5.3.4 Discussion - 120
5.3.5 Conclusion - 123
5.4 Evolution du signal TX en fonction de la température de recuit - 124
5.4.1 Introduction - 124
5.4.2 Détails expérimentaux - 124
5.4.3 Résultats - 124
5.4.4 Discussion - 125
5.4.5 Conclusion - 127
5.5 Recuit de D1 après irradiation en-dessous du seuil de déplacement dans le sous-¬réseau silicium - 127
5.5.1 Introduction - 127
5.5.2 Détails expérimentaux - 128
5.5.3 Résultats et discussion - 128
5.5.4 Conclusion - 130
5.6 Conclusion du chapitreV - 131
Conclusion générale 133
A Principe d’un accélérateur Van de Graaff d’électrons 137
B Logiciels simulant les interactions des particules chargées avec la matière 139
C Nomenclature et inventaire des échantillons utilisés 141
D Simulation numérique d’un spectre de LTPL 143
E Calcul de la concentration d’atomes déplacés 145

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