L'ingénierie et caractérisation du dopage dans des nanofils de germanium par microscopie électronique en transmission in-situ

par Minh anh Luong (Anh)

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Eric (phys) Robin et de Martien Den hertog.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Modélisation et Exploration des Matériaux (laboratoire) depuis le 02-12-2016 .


  • Résumé

    Les nanofils semi-conducteurs (NW) du groupe IV (silicium et germanium) sont des nanomatériaux qui ouvrent de nouvelles possibilités pour les dispositifs électroniques du futur. Pour une intégration réussie, la qualité du contact métal / NW est d'une importance primordiale. Une approche intéressante pour obtenir un contact atomiquement abrupt, avec une faible résistance électrique, est de propager par diffusion thermique une phase métallique à chacune des extrémités du NW. La propagation de la phase métallique dans des NW dopés peut conduire à une augmentation de la concentration de dopage en amont du front de propagation, par empilement des atomes dopants dans la région semi-conductrice. En utilisant la microscopie électronique en transmission (TEM), nous sommes en mesure de contrôler la diffusion du métal et de créer une région semi-conductrice d'une longueur bien définie entre les contacts métalliques. En outre, à l'intérieur du TEM, nous pouvons mesurer les caractéristiques courant-tension, ce qui nous permet d'évaluer sur le même NW les propriétés électriques de la région semi-conductrice en fonction de sa longueur. De plus, nous pouvons déterminer par l'intermédiaire des mesures courant-tension l'augmentation des concentrations de dopants qui conduit à une diminution de la résistance de contact. Ces mesures peuvent être exécutées directement dans le TEM sur le même NW à différents stades de la propagation du métal. De façon complémentaire, la concentration de dopage peut être mesurée quantitativement par holographie électronique en combinaison avec un bias électrique in situ, et par spectrométrie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) en utilisant des détecteurs à grand angle d'ouverture. Grâce à ces expériences, nous espérons obtenir une meilleure connaissance de la résistance de contact et de l'influence des propriétés structurelles (dimension, contrainte, dopage…) de la région semi-conductrice sur les propriétés électriques. Dans ce contexte, le travail de thèse portera sur i) l'ingénierie du dopage par propagation d'une phase métallique dans des NWs de germanium et ii) la caractérisation in-situ au TEM de la région semi-conductrice (dimension, résistance, dopage). Avec cette approche originale, nous nous attendons à obtenir des niveaux de dopage exceptionnellement élevés dans le germanium, avec des concentrations au-delà des limites imposées par les processus classiques de croissance des NWs et des couches minces.

  • Titre traduit

    Doping engineering and characterization in germanium nanowires using in-situ transmission electron microscopy


  • Résumé

    Semiconductor nanowires (NW) are an interesting kind of nano-materials that open up new device possibilities. For device implementation, the quality of the NW/metal contact is of paramount importance. An interesting approach to obtain an atomically abrupt contact with low electrical resistance on NWs of group IV (silicon and germanium) is to create a metal-semiconductor phase in the extremities of the NW. Furthermore, the thermally-induced propagation of the metal phase along the NW can lead to the modification of the doping concentration next to the contact due to the so-called “doping pile-up”, i.e. the dopant atoms are not integrated in the metallic phase but pushed forward into the semiconducting region. Using transmission electron microscopy (TEM) we are able to monitor the metal diffusion and create a semiconducting region of a well-defined length between metallic contacts. Furthermore, inside the TEM, we can measure current-voltage characteristics, which allows us to assess on the very same nanowire the electrical properties of the semiconducting region as a function of its length. Also, information on the doping concentration, modification of the doping profile by pile-up and decreased contact resistance, can be accessed via current-voltage measurements, which can be performed directly in the TEM at different stages of the metal propagation. The doping concentration can be quantitatively measured using off-axis electron holography in combination with in-situ biasing and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) using a detector with large opening angle. Through such experiments we hope to obtain more insight into the contact resistance and the effect of the shape, strain, doping and other structural properties of the semiconducting region on its electrical properties. In this framework, this PhD work will focus on doping engineering and quantification using the metal phase propagation. With this original approach, we expect to obtain exceptionally high doping levels in germanium, with concentrations beyond the limits imposed by the growth process of nanowires or thin films.