Développement de Couches Minces de ZnO avec Dopage Contrôlé pour leur Intégration dans des Dispositifs Piézoélectriques sur Silicium

par Quang chieu Bui

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Gustavo Ardila rodriguez et de Vincent Consonni.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (laboratoire) et de COMPOSANTS CMOS AVANCES SILICIUM ET SOI (equipe de recherche) depuis le 15-10-2018 .


  • Résumé

    Les dispositifs piézoélectriques (PZ) connaissent un intérêt croissant en tant que micro-source d'énergie par la récupération d'énergie ambiante et que capteurs via l'effet PZ direct. En tant que matériau composé d'éléments abondants, peu cher et biocompatible, l'oxyde de zinc (ZnO) possède de nombreux atouts, comme de forts coefficients PZ pour un semiconducteur et une intégration compatible sur silicium. L'une des limites majeures du ZnO demeure toutefois son fort dopage résiduel de type n, qui mène à une densité importante de porteurs de charge écrantant le potentiel PZ généré sous sollicitations mécaniques. Les valeurs typiques de potentiel PZ généré sont ainsi de l'ordre de quelques dizaines de mV, ce qui diminue d'autant l'efficacité des dispositifs de micro-source d'énergie et la sensibilité des capteurs. L'un des enjeux majeurs vise donc à réduire significativement le dopage résiduel de type n dans le ZnO afin de limiter le plus possible la densité de porteurs libres. Le travail de cette thèse consistera à développer sur silicium la croissance de couches minces de ZnO par dépôt chimique en phase vapeur et aux organo-métalliques et à maîtriser leurs propriétés structurales et électriques reliées au dopage. Ces propriétés seront étudiées par une grande variété de techniques de caractérisation structurale (microscopie électronique à balayage et en transmission, diffraction de rayons X, …) et électrique (microscopie à force atomique en modes sMIM/SMM, effet Hall en température, …). Une intégration de ces couches minces dans des dispositifs PZ sera effectuée afin de déterminer les performances obtenues en termes de potentiel de sortie et de coefficients PZ associées. Une corrélation avec des simulations théoriques intégrant les propriétés PZ et semiconductrices pourra être envisagée suivant une méthode par éléments finis. Une extension possible de ce travail concernera la fabrication de réseaux de nanofils de ZnO par dépôt chimique en phase vapeur et aux organo-métalliques afin de pouvoir procéder à une comparaison directe avec les couches minces fabriqués suivant le même procédé. L'ensemble des procédés employés et développés sera compatible avec une intégration sur silicium et visera à limiter autant que possible le budget thermique ainsi qu'à utiliser des précurseurs chimiques et recettes durables. Une des facettes du travail de thèse sera de prendre en compte le risque matériaux dans une approche pluridisciplinaire et globale incluant les Sciences Humaines et Sociales.

  • Titre traduit

    Development of ZnO Thin Films with Controlled Doping for their Integration in Piezoelectric Devices on Silicon


  • Résumé

    Piezoelectric devices (PZ) are gaining interest as a micro-source of energy through the recovery of ambient energy and as sensors via the direct PZ effect. As a material composed of abundant, inexpensive and biocompatible elements, zinc oxide (ZnO) has many advantages, such as strong PZ coefficients for a semiconductor and compatible integration on silicon. One of the major limitations of the ZnO, however, remains in its strong residual n-type doping, which leads to a high density of charge carriers screening the PZ potential generated under mechanical stresses. The typical values of PZ potential generated are thus in the order of few tens mV, which decreases all the efficiency of the micro-energy source devices and the sensitivity of the sensors. One of the major challenges is therefore to significantly reduce residual n-type doping in ZnO in order to limit as much as possible the free carrier density. The work of this thesis will consist in developing the growth of ZnO thin films on silicon by metal-organic chemical vapor deposition and controlling their structural properties and electrical properties related to doping. These properties will be studied by a wide variety of structural characterization techniques (scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, ...) and electrical characterization techniques (atomic force microscopy, Hall effect in temperature, ...). An integration of these thin layers in PZ devices will be performed to determine the performance obtained in terms of output potential and associated PZ coefficients. A correlation with theoretical simulations integrating the PZ properties and semiconductors could be considered by finite elements method. A possible extension of this work will concern the fabrication of ZnO nanowire networks by metal-organic chemical vapor deposition in order to be able to have a direct comparison with the thin layers manufactured by the same process. All the processes used and developed will be compatible with an integration on silicon and will aim to limit as much as possible the thermal budget as well as the using of chemical precursors and sustainable recipes. One of the facets of the PhD work will be to take into account the risk of materials in a multidisciplinary and global approach including the Humanities and Social Sciences.