Étude de l'hydrogénation photocathodique du silicium P dans l'acide fluorhydrique HF 5%

par Philippe de Mierry

Thèse de doctorat en Métallurgie

Sous la direction de Marc Aucouturier.

Soutenue en 1988

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Potentiel de bandes plates
• Photocourant
• Silicium
• Hydrogénation
• Fluorhydrique, Acide
• Électrochimie

Résumé

Le comportement du silicium p au cours d’une hydrogénation électrolytique en milieu aqueux est étudié. La méthode consiste à provoquer la réaction de décharge du proton H⁺ en solution acide HF 5% (PH ≈ 1,4) par polarisation cathodique de Si(p) sous éclairement. L’interface pSi (HF 5%) est caractérisé par mesures voltamétriques (I-V) et par mesures d’impédances (C-V) dans l’obscurité. Les écarts sur les valeurs mesurées du potentiel de bandes plates sont expliqués par la contamination de surface en cuivre, carbone et oxygène détectée par analyse ionique et analyse de surface. Au cours de la première heure d’hydrogénation, on constate un « décrochement » des bandes en surface attribué à la formation d’une couche d’hydrogène adsorbée. Pour les longues durées (> 10 heures), l’hydrogène est introduit sur une profondeur de 100nm à 200nm. La compensation des accepteurs ionisés est mise en évidence par mesures capacitives. On observe également l’apparition d’un courant inverse d’obscurité (perte du caractère rectifiant de la diode) liée à l’établissement d’une couche d’hydrogène sous la surface (10 nm) de concentration élevée (≈ 1% atomique). Le mécanisme invoqué est la génération de paires électron-trou sous la surface. Le courant inverse disparaît lorsque l’électrode est mise en circuit ouvert, ou polarisée anodiquement, et réapparaît ensuite beaucoup plus rapidement sous deuxième hydrogénation : cette cinétique plus rapide est expliquée par la présence d’hydrogène volumique (introduit sur 100 ou 200 nm) facilitant le rétablissement de la couche hydrogénée responsable du courant d’obscurité. La dernière partir de la thèse présente la technique de perméation électrochimique. L’exploitation analytique des courbes conduit à la détermination d’un coefficient de diffusion D ≈ 10 ⁻ ¹⁰cm²s⁻¹. Cette valeur élevée témoigne de l’existence d’une espèce très mobile en faible interaction avec les impuretés du réseau.

Titre traduit

Photocathodic hydrogenation of P silicium in 5% fluorhydric acid solutions

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