Etude de l'implantation d'atomes de fer dans le carbure de silicium 6H- en vue de l'élaboration d'un nouveau semi-conducteur magnétique dilué

par Cyril Dupeyrat

Thèse de doctorat en Milieux denses, matériaux et composants

Sous la direction de Alain Declémy et de Michel Viret.

Soutenue en 2009

à Poitiers .


  • Résumé

    L'objectif de ce travail était de réaliser une étude microstructurale détaillée du système Fe :SiC candidat pour devenir un semi-conducteur magnétique dilué. Des monocristaux de 6H-SiC (0001)Si de type n(2. 5x10+18/cm3) et de type p (5. 7x10+18/cm3) ont été multi-implantés en 56Fe et 57Fe à différentes énergies et différentes fluences conduisant à une concentration atomique constante (de 0, 5% à 7%) de 20 à 100 nm de la surface. Les implantations se sont déroulées depuis la température ambiante jusqu'à 550°C. L'influence de la dose et de la température d'implantation de fer sur l'état microstructural de la matrice 6H-SiC a été étudiée. Les effets de différents traitements post-implantation (recuit thermique classique/rapide, recuit par laser à excimères en phase solide, irradiations aux ions lourds) ont été étudiés et comparés. Dans le cadre de ce travail, nous avons établi de nouveaux résultats : une substitution importante dans les échantillons tel-qu'implantés ; nature et dimensions des amas dans les échantillons traités ; évaluation du nombre d'atomes de fer ferromagnétiques. Dans l'état tel-qu'implanté nous avons réussi à nous mettre dans les conditions favorables pour l'introduction d'un ordre ferromagnétique dans le SiC (atomes de fer en substitution des atomes de silicium) mais les échantillons n'ont pas montré de propriétés magnétiques, le faible dopage initial des substrats utilisés dans cette étude pouvant expliquer ce constat. Nous avons montré qu'il était nécessaire de coupler de nombreuses techniques de caractérisation microstructurales et magnétiques afin de donner une description détaillée des différents échantillons étudiés et expliquer les résultats observés.

  • Titre traduit

    Microstructural and magnetic study of Fe-implanted silicon carbide in order to get a new diluted magnetic semi conductor


  • Résumé

    In this work, we report results on Fe-implanted 6H-SiC which is a good candidate for Diluted Magnetic Semiconductor (DMS). Commercial (CREE) single crystalline 6H-SiC near (0001)-oriented samples were submitted to multi-step implantations with 56Fe+ and 57Fe+ ions at different energies and fluences leading to an iron concentration reaching a plateau of a few at. % (from 0. 5% up to 7%) at a depth between 20 nm and 100 nm from the sample surface. The samples temperature was kept from RT up to 550°C during implantation. First results obtained in samples implanted with CFe 6% at 380°C and then furnace-annealed (from 900°C upto 1300°C) show interesting magnetic behaviour : Hysteresis cycle at 10 K and saturation magnetization MS up to 1. 8μB/Fe at RT. Nevertheless, microstructural results from SR-XRD, TEM (HR and STEM-HAADF) and GISAXS reveal the presence of small (a few nm) iron-rich clusters (Fe3Si) into a light matrix SiC damaged but still crystallized rather than purely diluted iron atoms in the SiC matrix. These small clusters could contribute to the observed magnetic properties, in accordance with the conclusions of a recent work on the same kind of samples. From these first results, in order to limit the formation of parasitic magnetic secondary phases, we decided to limit the iron concentration around 2% and to explore other ways of treatments for implantation-induced damage recovery and iron incorporation and activation in the SiC matrix : the effects of furnace annealing on microstructure and magnetic properties of Fe-implanted 6H-SiC are compared to those of Rapid Thermal Annealing (RTA), laser processing in the solid phase and swift heavy ion irradiation.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (10-124 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 56 réf.

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