Le carbure de silicium (SiC), en particulier le polyype 4H, est un semiconducteur à grand gap particulièrement adapté à des applications haute température, hautes puissances et/ou en milieu agressif. Une limitation pour des applications du type transistor est qu’il est difficile d’obtenir par épitaxie des couches de SiC semi-isolant, nécessaire pour isoler les dispositifs du substrat, parexemple. Une solution proposée est le dopage vanadium (V) qui agit comme un centre de recombinaison et un piège à porteurs, permettant ainsi de diminuer la densité de porteurs libres dans le matériau. L’orientation du substrat choisie ici, de 0° off, n’est pas l’orientation préférentielle pour des épitaxies de 4H-SiC, usuellement de 4°off. Cette croissance on-axis est nécessaire pour le développement de composants à base de graphène qui font l’objet d’un contrat de recherche. De ce fait, l’incorporation de vanadium s’avère un processus plus délicat, qui ne doit pas conduire à une dégradation de la qualité cristalline des couches. La maîtrise et la détermination de la quantité de vanadium introduite est aussi un challenge. Enfin, du point de vue théorique, il est important de comprendre comment le Vanadium s’incorpore dans le cristal, sur quels sites, s’il se forme des clusters (amas)...

Le sujet proposé consiste à étudier les propriétés optiques et structurales de couches de 4H-SiC 0°off dopées au vanadium, afin de répondre aux question précédentes, mais aussi de fournir des procédés de caractérisation fiables et reproductibles permettant de déterminer la quantité de vanadium introduite et son impact sur les propriétés du matériau. Pour cela, une comparaison avec des couches 4H-SiC dopées au vanadium mais sur substrat de 4°off est prévue. Il s’agira donc d’étudier en photoluminescence à basse température les transitions optiques liées au vanadium, qui se produisent dans l’infrarouge. Ces transitions sont des transitions internes à l’atome V, et l’usage de la théorie des groupes est indispensable pour leur compréhension. On peut observer des raies très fines [1], dont la position est liée au site cristallin occupé, et dont l’intensité est présumée liée à la concentration en V. Il s’agira d’éclaircir ces points.
D’autre part, la photoluminescence et la réflectivité dans l’ultraviolet permettront, en étudiant le bord de bande et les bandes dues aux défauts [2], de fournir des informations sur la qualité du matériau des couches 4H-SiC :V, en fonction des doses de vanadium introduites. La diffraction de rayons X sera utilisé pour sonder directement les propriétés structurales du matériau et sera un précieux complément des mesures optiques. Il peut se faire que le matériau s’organise en nano-domaines (clustering, domaines de cohérence cristalline...). Ces points feront l’objet d’une attention particulière et les méthodes expérimentales devront être optimisées pour collecter les informations nécessaires sur ce phénomène.
Ce stage permettra à l’étudiant(e) d’acquérir de solides connaissances théoriques en optique des semiconducteurs, théorie des groupes, cristallographie,... mais aussi de se former aux techniques les plus utilisées dans la caractérisation et l’étude des semiconducteurs, dans l’industrie et dans les laboratoires de recherche. Ce travail s’inscrit dans le contexte d’un contrat de recherche financé par l’ANR (VanaSic). Le stagiaire sera suivi par 3
encadrants du L2C (contacts ci-dessous).

Contacts :
Olivier Briot
Sandrine Juillaguet
Hervé Peyre

[1] K. Murata, J. Appl. Phys. 126, 045711 (2019)
[2] J. Camassel et al, Chem. Vap. Deposition 12, 549 (2006)