Elaboration de super-réseaux de boîtes quantiques à base de SiGe et développement de dispositifs pour l'étude de leurs propriétés thermoélectriques

par David Hauser

Thèse de doctorat en Micro et Nano Électronique

Sous la direction de Laurent Montes.

Soutenue le 21-01-2011

à Grenoble en cotutelle avec l'UNIVERSITE DE GRENOBLE, dans le cadre de ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE ET TRAITEMENT DU SIGNAL (220), en partenariat avec Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Gerard Ghibaudo.

Le jury était composé de Laurent Montes, Ali Shakouri, Marc Plissonnier, Lucia Reining, Bruno Chauffert.

Les rapporteurs étaient Isabelle Berbezier, Alain Foucaran.


  • Résumé

    L'utilisation de dispositifs thermoélectriques à base de films minces en SiGe est envisagée dans de nombreuses applications comme la micro-génération de puissance ou le refroidissement localisé de composants microélectroniques. Le SiGe possède en effet un net avantage en terme d'integrabilite mais souffre cependant d'un déficit en terme de performances. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la nanostructuration de ce matériau en super-réseau de boîtes quantiques (SRBQ), celle-ci devant permettre une forte augmentation de son facteur de mérite, rendue possible par une forte altération du transport thermique à l'échelle nanométrique. La réalisation, par un outil CVD de type industriel, à 750 °C, de SRBQ monocristallins lourdement dopés est présentée à partir d'analyses morphologiques (AFM), structurales (MEB, MET) et chimiques (SIMS). Des phénomènes de forts échanges Si-Ge pendant la croissance sont notamment mis en évidence et corrélés avec des mesures de conductivité thermique qui ne démontrent pas un effet significatif des boîtes sur le transport thermique. L'élaboration de structures polycristallines originales est également présentée. Enfin, la question cruciale de la détermination du facteur de mérite est abordée, notamment concernant les problèmes d'incertitudes de mesure. Une

  • Titre traduit

    Growth of SiGe-based Quantum Dot Superlattices and device developpement for the study of its thermoelectric properties


  • Résumé

    Use of SiGe thin film thermoelectric devices is planed in many applications such as power microgeneration or local cooling of microelectronic components. One main advantage of SiGe relies on its ability to be monolithically integrated in ICs. However, SiGe is affected by a low coefficient of performance. Within the framework of this thesis, we focused on the nanostructuration of this material in the form of quantum dot superlattices (QDSL), which is expected to allow a strong increase of its figure-of-merit, by altering thermal transport at the nanometer scale. The growth of heavily doped monocrystalline QDSL in an industrial CVD tool at 750°C is presented from morphological (AFM), structural (SEM, TEM) and chemical (SIMS) analysis. Strong Si-Ge intermixing phenomenons are notably brought out and correlated with thermal conductivity measurements that do not demonstrate a significant effect of dots on thermal transport. The growth of original polycrystalline structures is also presented. Eventually, the crucial question of the figure-of-merit determination is addressed in particular with regard to the measurement uncertainty problem. One solution consisting in measuring simultaneously several electrical, thermal and thermoelectric parameters on a same sample is put forward and concretely implemented by the simultaneous fabrication of adapted test devices.

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