Étude de propriétés électroniques de nanostructures par microscopie à force atomique sous ultra-vide

Electronic properties of semiconductor nanostructures probed by atomic force microscopy in ultra high vacuum

• Auteur / Autrice : Łukasz Borowik
• Direction : Thierry Mélin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 14/12/2009
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium cristallisé

Transfert de charge

Microscopie à force atomique

États électroniques de surface

Semiconducteurs à bande interdite étroite

Ions -- Implantation

Semiconducteurs -- Dopage

Nanofils

Mots clés libres

Confinement quantique

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude des propriétés électroniques de nanostructures par microscopie à force atomique (AFM) en ultra-vide. La première partie de ce travail a consisté à caractériser localement des nanofils de silicium et germanium par technique d’AFM conducteur. Les expériences de conduction locale sur nanofils inclinés montrent que la conduction des nanofils intrinsèques est dominée par un transport en surface, associé à la présence de résidus catalytiques métalliques. Cette conduction peut être partiellement supprimée (par désoxydation) ou exaltée (par traitement thermique). Une caractérisation qualitative du dopage de ces nanostructures est présentée, par technique de microscopie à sonde de Kelvin.La deuxième partie de la thèse a consisté à étudier le transfert de charges et les propriétés d’ionisation de nanocristaux de silicium passivés hydrogène, dopés de type n (P) ou p (B), fabriqués par dépôt plasma. L’analyse des images de microscopie à sonde de Kelvin en modulation d’amplitude sous ultra-vide montre que le transfert de charges des nanocristaux de silicium correspond à un mécanisme de compensation d’énergie, exalté par le confinement quantique. Les résultats expérimentaux fournissent une mesure de l’ouverture de la bande interdite des nanocristaux due au confinement quantique, dans la gamme 2-50nm, en accord quantitatif avec des calculs en liaisons fortes. Ils mettent en avant la possibilité d’utiliser des nanocristaux dopés comme sources d’électrons pour réaliser un dopage sélectif contrôlé de nanostructures ou nanodispositifs, avec des densités dans les gammes de 2×10 11-10 14 cm-2 ou 8×10 5-2×10 7 cm-1.

We study the electronic properties of nanostructures using atomic force microscopy in ultra-high vacuum environment. The first part of this work consists in the characterization of silicon and germanium nanowires grown by metal-catalyzed chemical vapour deposition on silicon substrates, using conducting atomic force microscopy. The electrical transport at room and low-temperature through individual nanowires has been measured as a function of the position along tilted nanowires. It is shown that the conduction properties of as-grown intrinsic silicon nanowires are dominated by the presence of gold catalyst residues along their surface, which can be either partially suppressed (e.g. by a de-oxidation step), or enhanced upon heat treatment. The second part of this work consists in studying the charge transfer and ionization properties of hydrogen-passivated phosphorus-doped and boron-doped silicon nanocrystals grown by plasma enhanced chemical vapor deposition on silicon substrates, using ultra high vacuum amplitude modulation Kelvin force microscopy. It is demonstrated that the charge transfer from silicon nanocrystals follows an energy compensation mechanism, which is enhanced by quantum confinement. The results provide a measurement of the nanocrystal conduction band-gap opening due to quantum confinement in the 2-50nm range, in agreement with parametrized tight-binding calculations. They also put forward the possibility to use doped nanocrystals as electron sources to achieve a controlled remote doping of nanostructures and devices with typical two-dimensional charge densities in the range of 2×10 11-10 14 cm-2, or linear charge densities in the range of 8×10 5-2×10 7 cm-1.