Soutenance de Thèse de Ti Mai Hoa Le : Microscopie de biréfringence et caractérisation de matériaux à grand gap

PhD defense of Ti Mai Hoa Le

Microscopie de biréfringence et caractérisation de matériaux à grand gap
Thèse dirigée par Thierry Ouisse (LMGP - Grenoble)

Résumé
Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels que le carbure de silicium (SiC) et le diamant ont des propriétés matérielles exceptionnelles. De nombreuses applications peuvent bénéficier des semi-conducteurs WBG. Afin d'améliorer la qualité de ces matériaux, ainsi que pour augmenter leur gamme d'applications technologiques, il est nécessaire de diminuer ou réduire au minimum le nombre de défauts étendus.
Ce travail de recherche a porté sur l'évaluation, la modélisation et le développement de techniques d'analyse s’appuyant sur l'utilisation de la microscopie optique. La thèse s’est focalisée sur l'identification des défauts structurels dans le carbure de silicium (SiC) et le diamant. Les défauts étendus dans des substrats 6H-SiC et du diamant ont été caractérisés par microscopie de biréfringence et les figures de biréfringence des différentes dislocations mesurées ont été modélisées.
Dans le cas du SiC, un bon accord est obtenu entre théorie et expérience ce qui a amené à la détermination valide des vecteurs de Burgers et contraintes résiduelles d’arrière-plan. Presque toutes les dislocations observées étaient des dislocations verticales à caractère mixte. Parfois, leur orientation change résultant dans l'observation d'un motif de faible biréfringence. Nous avons comparé les données de biréfringence avec les gravures formées après attaque KOH. La combinaison des deux techniques est une façon de discriminer entre les dislocations vis pures et les dislocations mixtes ou coins.
Les dislocations typiques dans du diamant monocristallin CVD ont été déterminées par mesure de biréfringence et quantitativement modélisées. Bien que les images simulées soient des approximations des observations expérimentales, les dislocations individuelles apparaissent comme étant des dislocations coins ou mixtes avec un possible vecteur de Burgers a/2 (011) ou a/2 (110). Parfois, les dislocations verticales peuvent se transformer en ligne horizontale ou inclinée, puis revenir à nouveau à la verticale résultant dans l'observation de deux figures de biréfringence séparées. La propagation de dislocations à partir du substrat HPHT dans la couche CVD a aussi été étudiée en analysant simultanément le substrat HPHT et la couche CVD dans la même région de l'échantillon.

Birefringence microscopy and characterisation of wide bandgap materials.
Abstract
Wide band gap (WBG) semiconductor materials such as Silicon Carbide (SiC) and Diamond have outstanding material properties. Many applications can benefit from WBG semiconductors. In order to improve material quality as well as to increase the range of technological applications of the WBG semiconductor materials, it is necessary to decrease or minimize the number of extended defects.
This research work deals with the assessment, modelling and development of analytical techniques based upon the use of optical microscopy. The thesis dedicated to the identification of structural defects in Silicon Carbide (SiC) and diamond materials. Extended defects in 6H-SiC wafer and diamond materials were characterized by birefringence microscopy. The measured birefringence patterns of individual dislocations modelled.
In the case of SiC, a good agreement is obtained between theory and experiment, which led to the proper determination of the Burgers vector values and background residual stress. All observed dislocations were almost vertical dislocations with a mixed character. Sometimes, their orientation changes resulting in the observation of a faint birefringence pattern. We compared birefringence data with etch pits formed after KOH etching. Combining both techniques is a method to discriminate between pure screw dislocations and mixed or pure edge dislocations.
Typical dislocations in single crystal CVD diamond were determined by birefringence measurement and quantitatively modelled. Although the simulated images only approximate the experimental ones, the individual dislocations are determined to be threading edge dislocations with a possible Burgers vector a/2(011) or a/2(110). Sometimes, the vertical dislocations can convert to a horizontal or slightly tilted line and then turn vertical again resulting in the observation of two separated birefringence patterns. The dislocation propagation from the HPHT substrate into the CVD layer has been investigated by simultaneously analysing the HPHT substrate and the CVD layer in the same sample region.

Jury Members
Thanh Vinh LE, Prof., Univ. Aix-Marseille - France (Rapporteur)
Efstathios POLYCHRONIADIS, Prof., Univ. Thessaloniki - Greece (Rapporteur)
Jocelyn ACHARD, Prof., Univ. Paris 13 - France (Président)
Didier CHAUSSENDE, Chargé de recherche CNRS, LMGP Grenoble - France
Thierry OUISSE, Prof., Grenoble Institute of Technology - France, (Director)