Supraconductivité et propriétés physiques du silicium très fortement dopé

par Audrey Grockowiak

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Thierry Klein et de Christophe Marcenat.

Soutenue le 22-11-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec CorrElec (équipe de recherche) .

Le président du jury était Etienne Gheeraert.

Le jury était composé de Lilia Boeri.

Les rapporteurs étaient Peter Samuely, Jean-marc Triscone.


  • Résumé

    Cette thèse expérimentale explore les propriétés supraconductrices du silicium très fortement dopé, en particulier au bore, ainsi que les propriétés physiques anormale observées à plus hautes températures. La supraconductivité de Si:B est obtenue sous 1K, pour des dopages en bore supérieurs à la limite de solubilité du bore dans le silicium. Le Si:B est métallique à ces taux de dopage. Dans une première partie, nous exposons les différentes techniques expérimentales exploitées au cours de cette thèse. Nous expliquons les différentes techniques de dopage hors équilibre identifiées pour doper du silicium au-delà de la limite de solubilité, puis les techniques de caractérisation pour contrôler la qualité des couches dopées obtenues, ainsi que les méthodes de mesures aux très basses températures. Dans une deuxième partie, nous exposons les résultats obtenus sur la supraconductivité de Si:B en faisant varier dans un premier temps le taux de dopage en bore, puis en renouvelant l'étude à différentes épaisseurs de couche dopée. Nous montrons notamment que l'évolution de la Tc avec le couplage électron-phonon $lambda$ ne suit pas une loi de McMillan classique, mais plutôt une loi de puissance comme celle observée dans le cas du diamant supraconducteur. Nous montrons que ce résultat peut être expliqué dans le cadre d'un modèle d'un supraconducteur à deux couches de $lambda$ différents. En étudiant la dépendance en température et angulaire de Hc2, nous montrons que Si:B est un supraconducteur intrinsèquement de type I, mais qui devient de type II sous effet d'impuretés, et que la supraconductivité est à caractère bidimensionnel. Dans une troisième partie, nous présentons des comportements anormaux de certaines caractéristiques physiques mesurées dans certaines séries de Si:B, à partir de 50K et qui persistent jusqu'à au moins 400K. Nous présentons des mesures de magnétotransport, d'effet Hall et de mesures thermoélectriques qui présentent toutes des caractéristiques hautement non linéaires, et donc anormales pour un métal. L'origine de ces anomalies est toujours ouverte. Enfin, nous présentons quelques perspectives de travail, en particulier les premières mesures sur un échantillon avec une géométrie de type SQUID.

  • Titre traduit

    Superconductive semiconductors


  • Résumé

    This experimental PhD thesis explore the superconductivity of heavily boron doped epilayers as well as some unusual properties observed at high temperatures. The superconductivity of Si:B is observed below 1K and triggered by boron content exceeding the solubility limit of boron into silicon. For such high boron contents, the silicon layers are metallic. In a first part, we develop the various experimental techniques used. We explain the principles of the out-of-equilibrium doping techniques required to doped beyond the solubility limit. We develop also on the characterisation techniques used to control the quality of the samples, as well as the low temperatures measurement techniques. In a second part, we show the results obtained on the superconductivity of Si:B, obtained forst by varying the boron content at a given layer thickness, and then as a function of the layer thickness. We show that the evolution of Tc with the electron-phonon coupling constant lambda doesn't follow the classical McMillan law, but rather a power of law as it was reported for superconducting diamond. We show that this result can be explained by a double layer model with dislocations resulting in two different lambda values for each sublayer. The study of the temperature and angular dependency of the Hc2 also show that Si:B is an intrinsic type I superconductor turned into type II with defect effects, and that the superconductivity is bidimensionnal. In a third part, we present the anomalous high temperature behaviour of some Si:B epilayers, starting from 50K and observed at least up to 400K. We present magnetotransport, Hall effect and thermoelectric measurements that all show a highly non linear behaviour, unusual for a metal. The origin of these anomalies is still an open question. We finally present some future perspectives, including the first measurements on a Si:B SQUID-like geometry.


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