Optimization of the VLS epitaxy of 4H-SiC semiconductor : Development of localized doping in 4H-SiC by VLS epitaxy and applications to SiC power devices

L'objectif du projet VELSIC a été de démontrer la faisabilité de jonctions p+/n- profondes dans le semiconducteur 4H-SiC, de haute qualité électrique, comprenant une zone p++ réalisée par un procédé original d'épitaxie localisée à basse température (1100 – 1200°C), en configuration VLS (Vapeur - Liquide - Solide). Cette technique innovante de dopage par épitaxie utilise le substrat de SiC mono cristallin comme un germe de croissance sur lequel un empilement enterré de Al - Si est porté à fusion pour constituer un bain liquide, lequel est alimenté en carbone par la phase gazeuse. Cette méthode se positionne comme une alternative avantageuse à l'implantation ionique, actuellement utilisée par tous les fabricants de composants en SiC, mais qui présente des limitations problématiques encore non résolues à ce jour. Les travaux de thèse ont exploré toutes les facettes du processus complet de fabrication de diodes de test, avec une attention particulière portée sur l'optimisation de la gravure de cuvettes dans le substrat SiC. Le cœur des travaux a été concentré sur l'optimisation de l'épitaxie VLS localisée. L'étude a confirmé la nécessité de limiter la vitesse de croissance vers 1 µm/h pour conserver une bonne cristallinité du matériau épitaxié. Elle a également mis en évidence l'action directe du champ électromagnétique radiofréquence sur la phase liquide, conduisant à une très forte influence du diamètre des cuvettes gravées sur l'épaisseur du SiC déposé. Un remplissage quasiment complet des cuvettes de 1 µm de profondeur à très fort dopage p++ a été démontré. À partir des couches VLS optimisées, des démonstrateurs de types diodes p+/n- ont été fabriqués. Sur les meilleurs échantillons, sans passivation ni protection périphérique, des tensions de seuil en régime direct (entre 2,5 et 3 V) ont, pour la première fois, été mesurées, sans recourir à un recuit haute température après épitaxie. Elles correspondent aux valeurs attendues pour une vraie jonction p-n sur 4H-SiC. Des densités de courant de plusieurs kA/cm2 ont également pu être injectées pour des tensions situées autour de 5 - 6 V. En régime de polarisation inverse, aucun claquage n'est observé jusqu'à 400 V et les densités de courant de fuite à faible champ électrique dans la gamme 10-100 nA/cm2 ont été mesurées. Toutes ces avancées si situent au niveau de l'état de l'art pour des composants SiC aussi simples, toutes techniques de dopage confonduesThe objective of the VELSIC project has been to demonstrate the feasibility of 1 µm deep p+/n- junctions with high electrical quality in 4H-SiC semiconductor, in which the p++ zone is implemented by an original low-temperature localized epitaxy process ( 1100 - 1200 °C ), performed in the VLS (Vapor - Liquid - Solid) configuration. This innovative epitaxy doping technique uses the monocrystalline SiC substrate as a crystal growth seed. On the substrate (0001-Si) surface, buried patterns of Al - Si stack are fused to form liquid islands which are fed with carbon by C3H8 in the gas phase. This method is investigated as a possible higher performance alternative to the ion implantation process, currently used by all manufacturers of SiC devices, but which still experiences problematic limitations that are yet unresolved to date. Although the main focus of the study has been set on the optimization of localized VLS epitaxy, our works have explored and optimized all the facets of the complete process of test diodes, from the etching of patterns in the SiC substrate up to the electrical I - V characterization of true pn diodes with ohmic contacts on both sides.Our results have confirmed the need to limit the growth rate down to 1 µm/h to maintain good crystallinity of the epitaxial material. It has also highlighted the direct action of the radiofrequency electromagnetic field on the liquid phase, leading to a very strong influence of the diameter of the etched patterns on the thickness of the deposited SiC. A nearly complete filling of the 1 µm deep trenches with very high p++ doping has been demonstrated. Using optimized VLS growth parameters, p+/n- diode demonstrators have been processed and tested. On the best samples, without passivation or peripheral protection, high direct-current threshold voltages, between 2.5 and 3 V, were measured for the first time without any high-temperature annealing after epitaxy. These threshold voltage values correspond to the expected values for a true p-n junction on 4H-SiC. Current densities of several kA/cm2 have also been injected at voltages around 5 - 6 V. Under reverse bias conditions, no breakdown is observed up to 400 V and low leakage current densities at low electric field, in the range 10 - 100 nA/cm2, have been measured. All these advances align with or exceed state-of-the-art results for such simple SiC devices, obtained using any doping techniqu