Surfaces and interfaces characterization for the development of diamond power electronic devices

Resumen

La gestión de la energía eléctrica es uno de los retos más importantes de una humanidad con demandas energéticas crecientes. Actualmente, los elementos de alta potencia de la red eléctrica, como los rectificadores, están basados en el silicio. El diseño de nuevas arquitecturas ha mantenido a los dispositivos basados en silicio en la cima del mercado de dispositivos de alta potencia. Sin embargo, las limitaciones inherentes de este material han llevado a los investigadores a explorar otros candidatos semiconductores. Las superiores propiedades electrónicas y térmicas del diamante respecto a otros semiconductores más habituales como el Si o GaAs, lo convierten en un candidato prometedor para su aplicación en regímenes de alta potencia y alta frecuencia. Los nuevos métodos de fabricación de diamante sintético han fomentado y abierto la investigación hacia esta nueva tecnología. Como semiconductor de banda ancha, la naturaleza aislante del diamante hace que su aplicación electrónica dependa mucho de aspectos científicos y tecnológicos como el dopaje, los fenómenos de superficie e interfaz, así como otras implicaciones del proceso de fabricación de dispositivos. El éxito en la definición del comportamiento final de los dispositivos electrónicos de diamante requiere un examen exhaustivo de los aspectos electrónicos más relevantes de los mismos, a fin de comprender sus orígenes y tomar el control sobre sus efectos. Esta tesis se enmarca en los aspectos de superficie e interfaz del diamante (100) para su aplicación en dispositivos electrónicos. En primer lugar, se centra en uno de los conceptos más aceptados de la electrónica de diamante: la relevancia de las terminaciones de superficie de diamante para la definición del comportamiento del dispositivo. En este sentido, el uso de la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X de ángulo resuelto (ARXPS) ha permitido reinterpretar las contribuciones electrónicas cerca de la superficie y continuar la discusión sobre el origen de la conducción tipo p de la superficie hidrogenada. Respecto a la terminación de oxígeno, los resultados de ARXPS han servido como plataforma de partida para nuevos modelos de reconstrucción de superficies que pasan por considerar la presencia de hibridaciones de carbono sp2, rompiendo con la concepción ideal y fuertemente arraigada de una reconstrucción de superficie completamente formada por hibridaciones sp3. Por otro lado, los aspectos de la intercara se analizan en el marco de las uniones metal-diamante, estructura base para los contactos óhmicos y Schottky. La reacción metal-diamante se ha relacionado con la baja estabilidad térmica del contacto y el deterioro de su comportamiento electrónico. Para evitar esta reacción, algunos investigadores han elegido un carburo preformado de carácter metálico como el WC, que muestra una alta estabilidad térmica y un comportamiento Schottky cercano al ideal. La caracterización nanoscópica ha permitido poner en perspectiva la fenomenología de intercara de estas estructuras Schottky. Los resultados de esta tesis ayudarán a comprender mejor y continuar el debate sobre algunos de los aspectos científicos fundamentales de los dispositivos electrónicos basados en diamantes.