Mastering the O-diamond/Al2O3 interface for unipolar boron doped diamond field effect transistor

Nowadays, global warming effect is one of most challenging issue for human being. Most of “traditional energy” sources like thermal power; nuclear power, hydroelectricity power, etc. are dangerous and/or potentially dangerous for nature and human being. Therefore, the "greener energy" is highly desired. The "greener energy" has two folds meaning: on one hand, using renewable energy sources like solar power, wind power or geothermal energy, etc. instead of the traditional energy sources. One another hand, use the electricity more effectively and more efficiency. A recent report has pointed out that the energy loss in US is in fact more than sum of all renewable energy generate in US. Therefore, effectively utilizing electricity and limiting the waste is critical.Unfortunately, losses are the endemic of semiconductor components, the central device of all power conversion system. Silicon (Si), the main material for semiconductor components has reached its physical limit. Wide band-gap semiconductors such as SiC, GaN, Ga2O3 and diamond are promising materials to fabricate the devices low ON-state loss and high OFF-state breakdown voltage. Among them, diamond is an ideal semiconductor for power devices due to its superior physical properties. Recent progresses on diamond technology permits one consider the diamond power devices, e.g. MOSFET.In order to realize a diamond MOSFET by controlled diamond semiconductor, the numbers of issues needed to be overcome is important, especially mastering the diamond/oxide interface. In this context, G. Chicot and A. Marechal (former PhD students in our group) has introduced the O-diamond/Al2O3 MOSCAP test devices and measured the type I band alignment at O-diamond/Al2O3 interface, which is favorable to realize both inversion MOSFET and depletion MOSFET in his PhD these. This PhD project is a continuation of two-mentioned thesis and including two main objects: 1. Fundamental investigations dedicate to understand the electrical characteristic of an O-diamond MOSCAP test device; 2. Realize a unipolar diamond MOSFET by controlling the diamond semiconductor epilayer. The thesis will include three chapters:Chapter 1 discusses the context of power devices as well as the physical properties of diamond and state-of-the-art of diamond devices. We also introduce the working principle of an ideal MOSCAP test device and States-of-the-art of O-diamond MOSCAP test devices.Chapter 2 dedicates for the fundamental understanding O-diamond MOSCAP and include three main parts: Part 1 addresses the methodology issues related to diamond growth, fabrication processing and electrical characterizations. We will construct an empirical electrostatics model for O-diamond MOSCAP. Part 2 discusses the origin of leakage current and capacitance-frequency dependent when O-diamond MOSCAP is biasing in negative direction. We quantify the interface states density at O-diamond/Al2O3 interface by conductance method and the complete electrostatics model for O-diamond/Al2O3 MOSCAP will be constructed. Part 3 discusses the origin of leakage current and the capacitance-frequency dependent when the O-diamond MOS capacitor is biasing in positive direction.Chapter 3 introduces our approach to realize a depletion mode diamond MOSFET. Transistor performance and the important parameters of the transistor will be quantified. The benchmark of the device and the projection towards its improvement will be mentioned.De nos jours, l'effet du réchauffement planétaire devient une question primordiale pour l'humanité. La plupart des sources d'énergie traditionnelles comme l’énergie thermique, le nucléaire, l'hydroélectricité, etc. sont dangereux et/ou potentiellement dangereux pour la nature et l'être humain. Par conséquent, une «énergie verte» est fortement souhaitée. L'énergie verte a deux caractéristiques : d'une part l’utilisation de sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire ou géothermique, etc au lieu des sources d'énergie traditionnelles, ainsi qu’un meilleur rendement. Un rapport récent a souligné que la perte d'énergie aux États-Unis est plus importante que la somme de toutes les énergies renouvelables générées. Il est donc essentiel d'utiliser efficacement l'électricité et de limiter les pertes. Malheureusement, les pertes sont l'endémie des composants semi-conducteurs, le dispositif central de tout système de conversion de puissance. Le silicium (Si), le matériau le plus utilisé dans les composants semi-conducteurs a atteint sa limite physique. Des semi-conducteurs à large bande interdite tels que SiC, GaN, Ga2O3 et le diamant sont des matériaux prometteurs pour fabriquer des dispositifs à faibles pertes en état ON et avec une tension de claquage à l’état OFF élevée. Parmi eux, le diamant est un semi-conducteur idéal pour les appareils de haute puissance en raison de ses propriétés physiques supérieures aux autres matériaux. Les progrès récents sur ce sujet permettent de considérer le développement de dispositifs de puissance en diamant, par exemple les MOSFETs. Afin de réaliser un MOSFET en diamant semi-conducteur, le nombre de problèmes à surmonter est important, particulièrement maîtriser l'interface diamant/oxyde. Dans ce contexte, G. Chicot et A. Marechal (anciens doctorants de notre groupe) ont introduit les dispositifs de test MOSCAP O-diamant/Al2O3 et montré que l'alignement des bandes est de type I à l'interface O-diamant/Al2O3, ce qui est favorable pour réaliser à la fois un MOSFET à inversion et un MOSFET à déplétion. Ce doctorat s’inscrit dans la suite de ces deux thèses. Il a eu deux objectifs principaux: 1. Les recherches fondamentales, qui se consacrent à la compréhension de la caractéristique électrique d'un dispositif de test de diamant MOSCAP; 2. Partant de la compréhension du MOSCAP, un MOSFET en diamant est réalisé par le contrôle de la conduction de courant volumique. La thèse comprend ainsi trois chapitres : Le chapitre 1 traite du contexte des dispositifs de puissance ainsi que des propriétés physiques du diamant et de l'état de l'art des dispositifs en diamant. Nous introduisons également le principe de fonctionnement d'un dispositif de test MOSCAP idéal et de l'état de l'art des O-diamant MOSCAP. Le chapitre 2 est consacré à la compréhension fondamentale des O-diamant MOS capacités et comprennent trois parties principales: la partie 1 traite des questions de méthodologie liées à la croissance du diamant, le procédé de fabrication et de caractérisation électrique. Nous allons construire un modèle électrostatique empirique pour les MOSCAP O-diamant. La partie 2 discute de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en négatif. La partie 3 traite de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en positif. Le chapitre 3 présente notre approche pour réaliser un MOSFET en diamant dopé au Bore. Les performances du transistor et ses paramètres importants seront quantifiées. Le benchmark du dispositif et la projection vers son amélioration seront mentionnés