Étude de l'insertion de dopants dans des nano-objets semi-conducteur du groupe IV : de l'hyperdopage aux alliages lamellaires

Résumé

Ce travail de thèse concerne l’étude des propriétés structurales et optiques de multicouches de SiO/SiO2 dopées au phosphore et de couches minces de SiP et de GeP préparées par évaporation sous ultravide. Après recuit, la formation de nc-Si est observée dans les multicouches SiO/SiO2 dopées avec du phosphore. Le phosphore est localisé principalement dans les nc-Si avec des concentrations pouvant atteindre 10 at.%, bien supérieures à la limite de solubilité du phosphore dans le Si massif. Une résonance de plasmons de surface localisés est mise en évidence dans le moyen infrarouge. Sa position peut être ajustée en variant la concentration de phosphore. Des simulations basées sur la théorie de Mie ont permis de déterminer le taux d’activation qui est voisin de 5% et la mobilité des porteurs qui est de l’ordre de 23,5 cm2V-1s-1.

Afin d’empêcher la désorption et la diffusion du phosphore dans le substrat de silicium, la couche mince de Si :P est déposée entre deux couches de SiO2 d’épaisseur 20 nm. La formation du composé SiP est observée après recuit à des températures supérieures à 950°C . Celui-ci cristallise dans une structure orthorhombique de groupe d’espace Cmc21 . Les couches minces sont constituées de grains de SiP de taille voisines du micron qui coexistent avec des grains de silicium contenant 1 à 2% de phosphore. La structure lamellaire du SiP a été mise en évidence. Les premiers essais d’exfoliation en phase liquide ont été réalisés après décapage de la couche superficielle de SiO2 et du silicium dopé. Il est montré qu’il est possible de détacher des morceaux de SiP du substrat de Si. Le composé GeP, qui est obtenu après recuit à 500°C , cristallise dans une structure monoclinique de groupe d’espace C2/m. Les couches minces sont constituées principalement de grains de GeP qui coexistent avec de plus petits grains de Ge présents au voisinage de la surface. Comme pour le SiP, le GeP est bien lamellaire et l’exfoliation en phase liquide conduit à détacher des morceaux de GeP du substrat.

Mots-clés : Couches minces, évaporation, hyperdopage phosphore, nano-cristaux de silicium, plasmon, SiP, GeP.