Chapitre 1. Silicium nanostructuré : état de l’ .Chapitre 1 : Silicium nanostructuré: état

  • View
    216

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Chapitre 1. Silicium nanostructuré : état de l’ .Chapitre 1 : Silicium nanostructuré: état

  • - 15 -

    Chapitre 1. Silicium nanostructur : tat de lart

  • Chapitre 1 : Silicium nanostructur: tat de lart

    - 16 -

    Aujourdhui nous habitons dans lre des semi-conducteurs. Ces matriaux sont la pierre dangle de lre de llectronique, fonde en 1947 avec linvention du premier transistor. Ils constituent la base de la microlectronique et de loptolectronique actuelles, et seront sans au-cun doute indispensables aux nanosciences de demain. Avec eux il est devenu possible de stoc-ker et transporter le nombre souhait de porteurs de charge. Contrairement aux mtaux ayant une densit leve de porteurs dans la bande de conduction la temprature ambiante (quelques 1022cm-3), le nombre de porteurs dans un semi-conducteur peut tre contrl par la temprature, par son dopage ou encore par effet de champ.

    Cette tude porte sur le semi-conducteur qui reste pour le moment le plus rpandu dans la microlectronique : le Silicium.

    Au cours de ce chapitre nous prsenterons un panorama des nanostructures base de silicium (Si). Dans la premire section le matriau de base (Si) sera dcrit. Au cours de la deuxime section nous expliquerons plusieurs techniques de fabrication de nanostructures de Si avec lintrt spcial sur lanodisation lectrochimique. Enfin, la troisime section abordera leurs proprits physiques telles que les effets quantiques et msoscopiques.

  • Chapitre 1 : Silicium nanostructur: tat de lart

    - 17 -

    1.1. Silicium : matriau de base

    Le silicium (Si) est le matriau principal de notre temps. Jusqu aujourdhui, le silicium na pas rencontr de concurrent qui puisse lui faire de lombre. La polmique concernant le fait que le Si ait atteint ses limites physiques nest quune tempte dans un verre deau.

    Le Si est llment le plus tudi du tableau priodique. Mais pourquoi est-il unique ? Pour le comprendre faisons un pe-tit tour dans lhistoire et rappelons nous ses proprits structura-les.

    Ctait lanne 1789, Antoine Lavoisier, chimiste fran-ais, supposait que le quartz comportait de loxygne et un autre lment non encore dcouvert mais probablement trs abondant. Suite la rvolution franaise, ses expriences furent arrtes et la dcouverte de silicium reporte de 35 ans. En 1824 Jns Berzelius, chimiste sudois, a confirm lhypothse de Lavoisier en dcouvrant le Si.

    Le Si constitue lun des principaux lments de largile, des sols et des roches, sous forme de feldspaths, damphiboles, de pyroxnes et de pierres semi-prcieuses (Figure 1. 1). 28,2 % de lcorce de notre plante est compose de ce minral. En fait le Si est presque aussi abondant que loxygne.

    Le Si est lun des lments essentiels en lectronique, appuy pour le fait que la technologie actuelle permet lobtention de Si pur plus de 99,99999% (tirage Czochralski, zone fondue flottante). De plus, il est aujourdhui possible de fabriquer des monocristaux parfaits de silicium dun volume de lordre du m3.

    Le Si ainsi que les autres lments de la colonne IV du tableau priodique (C, Ge) forment des cristaux covalents. Ces lments gnrent des liaisons covalentes, avec leurs quatre atomes voisins, en mettant en commun leurs quatre lectrons de valence. Les lectrons de valence dans le cas du diamant ont une nergie de liaison importante, ce qui confre au diamant sa pro-prit disolant (ou plutt de semi-conducteur large bande in-terdite). Cette nergie est nulle dans le cas de ltain, ce qui en fait un bon conducteur. Dans le cas du Si cette nergie a une valeur intermdiaire temprature ambiante, faisant de lui semi-conducteur permettant des applications intressantes.

    Le rseau cristallin du Si est celui du diamant (Figure 1. 2). Il cristallise selon la maille diamant constitue de la su-perposition de deux sous-rseaux cubiques faces centres d-cals dun quart de la diagonale principale. Le paramtre de maille du silicium et 5.43 .

    Dans la microphotographie de la Figure 1. 3, prise par le microscope effet tunnel (STM, Scanning Tunneling Micros-cope), une vue de coupe du rseau cristallin de Si permet dobserver sa priodicit.

    Le Si est un semi-conducteur qui prsente une structure

    Figure 1. 1 Le minral de silice.

    Figure 1. 2 Structure de la maille diamant du Si (ou Ge). Les paramtres de maille du Si et du Ge sont respectivement de 5.43 et 5.65

    Figure 1. 3 Surface de Si (100) [1].

  • Chapitre 1 : Silicium nanostructur: tat de lart

    - 18 -

    de bandes dnergie du type indirect, ce qui signifie que le maximum de la bande de valence (BV) et le minimum de la bande de conduction (BC) ne concident pas dans lespace du vecteur donde k. (Figure 1. 4).

    Lors dune transition lectronique entre le bas de la BC et le haut de la BV (recombinaison), ou le contraire (adsorption), il doit y avoir conservation de lnergie et de la quantit de mouve-ment. Dans un semi-conducteur bande interdite directe (GaAs), on a la mme valeur du k, la transition doit uniquement respecter le principe de conservation de lnergie, ainsi lnergie du photon mis, doit tre gale Eg.

    Dans un semi-conducteur bande dnergie indirecte, le photon prsente une quantit de mouvement trop faible, la transi-tion lectronique ncessite laction des vibrations thermiques des atomes du rseau cristallin (phonons) pour que le principe de la conservation de la quantit de mouvement soit respect. Linteraction des phonons est un phnomne lent. Il en rsulte que le temps moyen pass par llectron dans la BC avant de rencontrer un trou et de se recombiner avec lmission dun phonon (la dure de vie radiative) est beaucoup plus grand dans les semi-conducteurs transition indirecte. Pour le Si temprature ambiante, le temps de vie radiatif est de lordre de la milliseconde. En comparant ce temps de recombinaison avec ceux des processus non-radiatifs (sans mission dun phonon), qui sont typiquement de lordre de la nanoseconde, il est vident que la grande majorit des paires lec-tron trou excits se recombinent par un mcanisme non-radiatif. Ainsi dans le cas du Si, le processus de recombinaison radiatif (avec mission dun phonon) est trs improbable.

    La masse des porteurs est modifie au sein du rseau cris-tallin. Dans ce cas on parle de masse effective. Pour les semi-conducteurs bande interdite indirecte comme le Si, la masse ef-fective des porteurs dpend aussi de la direction cristallographique.

    La Figure 1. 5 prsente la forme des qui-cintiques (k constant) en fonction des directions cristallographiques dans le cas du Si. La masse effective dpend de la direction considre. Pour chacune des 6 valles, on aura une masse longitudinale mL=0.98 me et deux masses transverses mT=0.19 me.

    1.1.1. Rcapitulatif des proprits physiques de Si

    Tableau 1. 1. Rcapitulatif des proprits physiques de Si.

    Figure 1. 4 Structure de bandes dnergie du si-licium cristallin.

    Figure 1. 5 Equicinti-que pour le Si. La masse effective dpend de la direction.

    Largeur de la bande interdite (eV) 300K 1.12 Mobilit lectronique (cm2V/sec) 300K 1500 Conductivit thermique (W/cmK) 1.48 Module dYoung 300K (GPa) 190

  • Chapitre 1 : Silicium nanostructur: tat de lart

    - 19 -

    1.2. Nanostructures en Silicium

    1.2.1. Mthodes de nanosructuration

    Parmi les mthodes principales permettant la nanostructura-tion de Si on peut citer les suivantes : implantation des matri-ces htes par ions de Si suivi dun recuit thermique [2], dpt chimique en phase vapeur de couches doxyde non-stoeochiometrique SiOx (1

  • Chapitre 1 : Silicium nanostructur: tat de lart

    - 20 -

    thermique et chimique des nanostructures obtenues, puisquelles sont entoures par une matrice hte passivante.

    1.2.1.2. LPCVD

    La technique de LPCVD fait partie des mthodes de dpt chimique en phase vapeur. En 1996, Nakajima et al. [14] a appliqu cette technique llaboration des nanostructures de Si. A ce jour on peut identifier deux mthodes principales de fabrication de ces nanostructures en utili-sant cette technique : nanostructures dposes et nanostructurs prcipites.

    1.2.1.2.1. Nanostructures dposes

    Cette mthode consiste faire un dpt des nanostructures de Si sur une couche isolante (SiO2 ou Si3N4) partir de la dcomposition thermique du silane pur (SiH4) une temprature autour des 600C.

    Considrons, par exemple, une plaque recouverte dune couche doxyde. Sous une pression de 0.3 0.4 Torr, le silane est inject dans un racteur soumis des tempratures va-riant de 500C 650C. Deux processus sont alors susceptibles de se produire : (i) le silane est adsorb sur la surface et se dcompose en silicium solide et en hydrogne (I. 1), ou bien (ii) le silane se dcompose dabord en silne et hydrogne avant dtre adsorb en surface (I. 2).

    )(2)()()( 244 gHsSisSiHgSiH + (I. 1)

    )(2)()()()( 2224 gHsSigHgSiHgSiH ++ (I. 2) Dans les deux cas, nous avons une croissance de silicium en surface. La croissance

    dmarre sur des si