Nanocristaux de carbure de silicium cubique épitaxiés sur silicium : synthèse et mécanismes de croissance

Cubic-silicon carbide nanocrystals epitaxied on silicon : synthesis and growth mechanism

• Auteur / Autrice : Geetanjali Deokar
• Direction : Catherine Deville Cavellin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bombardement ionique

Épitaxie

Silice

Silicium -- Substrats

Résumé

This work aims to synthesis epitaxial 3C-SiC nanocrystals (NCs) on Si employing CO2 gas and to study the growth mechanism. The method consists in annealing SiO2/Si samples (with a silica thickness ranging from a few nm up to 250 nm) at 1100°C under a few hundreds of mbars of CO2. Epitaxial, void free 3C-SiC NCs formation at the SiO2/Si interface is evidenced by FE-SEM, TEM and AFM techniques. Moreover, the use of techniques such as ion beam analysis (nuclear reaction and narrow resonance profiles) or secondary ions spectroscopy allowed us to study in detail the influence on growth of SiC NCs of several experimental parameters such as the silica layer thickness, the substrate orientation, the annealing time duration and the CO2 pressure. We shown that, while CO2 diffuses through silica it exchanges oxygen with the silica network and we could determine the diffusion coefficient of CO2 in silica at 1100°C. Based on our study, we propose a model for SiC NCs growth. The understanding of SiC NCs nucleation site and growth mechanism could be useful for insertion of the as grown NCs in various applications for example, electronic and optoelectronic devices. These NCs can also be used as seeds for SiC homoepitaxial or heteroepitaxial GaN and diamond films.

Nous présentons une technique originale de synthèse de nanocristaux de carbure de silicium cubique (3C-SiC) épitaxiés sur silicium et les résultats de l’étude des mécanismes de croissance des cristaux dans ces conditions. La technique consiste à recuire à 1100°C sous CO2 des substrats de silicium monocristallin recouverts de silice (épaisseur de quelques nm à 250 nm). La caractérisation par microscopie électronique atteste de la formation de nanocristaux de 3C-SiC à l'interface SiO2/Si, épitaxiés sur silicium sans apparition de défauts macroscopiques. De plus, l’utilisation de techniques telles que l’analyse par faisceau d’ions (réactions nucléaires, profil de concentration) ou la spectroscopie d’ions secondaires, nous a permis d’étudier en détail l'influence des paramètres expérimentaux (durée, pression de CO2, l'orientation du Si, épaisseur de silice) sur la croissance des cristaux de SiC. Nous avons ainsi montré que lors de sa diffusion dans la silice, le CO2 échange de l'oxygène avec le réseau de silice et nous avons pu déterminer la valeur du coefficient de diffusion de CO2 dans la silice à 1100°C Basé sur nos résultats, nous proposons un scénario pour la croissance de ces nanocristaux de SiC. La compréhension des mécanismes de croissance sera utile pour l'insertion de nanocristaux de 3C-SiC dans des dispositifs électroniques et optoélectroniques. Ces nanocristaux pourraient aussi servir de germes pour l’homoépitaxie de SiC ou l’hétéroépitaxie de GaN et, de films de diamant