Etude de la diffusion thermique de l'Aluminium dans des nanofils de Germanium et en alliages de SixGe1-x en utilisant la microscopie électronique en transmission in situ

par Minh Anh Luong

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Éric Robin et de Martien Ilse den Hertog.

Le président du jury était Catherine Chaillout-Bougerol.

Le jury était composé de Alois Lugstein.

Les rapporteurs étaient Gilles Patriarche, Phong Tran Dinh.


  • Résumé

    Les nanofils semi-conducteurs suscitent un intérêt croissant en raison de leur potentiel pour de nouvelles applications dans les transistors à effet de champ, les photodétecteurs et les biocapteurs. En particulier, la géométrie des nanofils offre la possibilité de fabriquer des hétérostructures axiales auxquelles il est facile d’accéder électriquement par des contacts pris aux extrémités. Selon les dimensions et la composition des hétérostructures, les porteurs peuvent subir des effets de confinement quantique, permettant de fabriquer des boites ou des disques quantiques connectés électriquement. Ainsi, la formation de contacts en silicide ou en germanide, via une réaction à l'état solide activée thermiquement entre un métal et un nanofil de Si ou de Ge, a suscité beaucoup d'intérêt en raison de son avantage pour la fabrication de dispositifs à canal court à partir de nanofils fait par croissance ‘bottom up’, qui parait plus aisé et moins couteux qu’une approche par lithographie et gravure du style ‘top down’. L'avantage de cette approche est que lors du chauffage, le métal pénètre dans le nanofil semi-conducteur aux deux extrémités, créant une région (inter) métallique. Si le processus est bien contrôlé et arrêté au bon moment, il ne reste qu'une mince section de semi-conducteur entre les contacts métalliques, ce qui permet de fabriquer des boites ou des disques quantiques mis en contact électriquement dans des structures filaires en une seule étape de fabrication. La diffusion à l'état solide induite thermiquement de l’Al dans un nanofil de Ge est un système prometteur car, contrairement à d'autres combinaisons métal-semi-conducteur ou une phase intermétallique est formée, une phase monocristalline d’Al pur est créée dont l’interface avec le nanofil de Ge est nette. De plus, la combinaison du couplage spin-orbite intrinsèquement fort du Ge et les propriétés supraconductrices de l'Al font de ce système une plate-forme prometteuse pour l'étude de dispositifs semi-conducteurs hybrides supraconducteurs qui pourraient être un des éléments constitutifs potentiels des dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID). Le défi abordé dans cette thèse est d'étudier la réaction d'échange de l'aluminium induit thermiquement à la fois dans les nanofils pur de Ge et d'alliage SixGe1-x en utilisant les techniques de microscopie électronique à transmission (TEM) in situ, afin de permettre une meilleure compréhension et un meilleur contrôle des mécanismes impliqués dans la réaction.

  • Titre traduit

    Investigation of Al thermal diffusion in SixGe1-x alloy nanowires using in-situ transmission electron microscopy


  • Résumé

    Semiconductor nanowires are receiving widespread interests for their novel applications in field-effect transistors, photodetectors and biosensors. The nanowire geometry provides an interesting possibility to fabricate axial heterostructures that can be easily accessed electrically by contacting the NW edges. Depending on the size, material and composition of the heterostructure, carriers can experience quantum confinement effects, allowing to fabricate quantum dots or quantum disks inside the NW. Recently, the formation of Silicide or Germanide contacts via a thermally activated solid state reaction between the metal and Si or Ge NW has drawn significant attention because of its great advantages for fabricating short channel devices from bottom up grown NWs rather than complex and high-cost photolithography top-down approaches. The advantage of this approach is that upon heating a metal enters a semiconducting NW at both ends, creating an (inter)metallic region in the NW. If the process is well controlled and stopped at the right moment, only a thin section of semiconductor is left between metallic contacts, allowing to fabricate electrically contacted quantum-dot in a wire structures in a single fabrication step. Al/Ge NW thermal induced solid-state diffusion is a promising system since, in contrast to other metal-semiconductor combinations, no intermetallic phase is formed and a pure monocrystalline Al NW is created with a very sharp interface with the remaining Ge NW. Moreover, the combination of the intrinsically strong spin−orbit coupling in Ge and the superconducting properties of Al, make this system a promising platform to study hybrid superconductor-semiconductor devices that could be potential building blocks for superconducting quantum interference devices (SQUIDs). The challenge addressed in this PhD is to study the thermally induced exchange reaction of Al in both pure Ge as well as SixGe1-x alloy NWs using in-situ observations in a transmission electron microscope (TEM), to allow better understanding and control of the mechanisms involved in the reaction.


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