Etude de fils semi-conducteurs dopés individuels par techniques locales d'analyse de surface

Study of individual doped semiconductor wires by local surface analysis techniques

• Auteur / Autrice : Julien Morin
• Direction : Olivier Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 18/12/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Roland Madar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Renault, Rosine Coq-Germanicus, Rachid Belkhou, Luc Bideux, Nicolas Chevalier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Karol Hricovini, Brice Gautier, Wojciech Kucharz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement synchrotron

Nitrure de gallium

Silicium

Semiconducteurs -- Dopage

Nanofils

Mots clés libres

XPEEM

XPS

SCM

KFM

Semi-conducteur

Dopage

Nanofil

Silicium

Nitrure de gallium

Travail de sortie

Rayonnement synchrotron

XPEEM

XPS

SCM

KFM

Semiconductor

Doping

Nanowire

Microwire

Silicon

Gallium nitride

Work function

Synchrotron radiation

Résumé

Ce mémoire de thèse traite de la caractérisation de microfils et nanofils semi conducteurs dopés individuels par microscopie à émission de photoélectrons X (XPEEM) complétée par des techniques de champ proche électrique: Kelvin force microscopy (KFM) et scanning capacitance microscopy (SCM). L'objectif est d'évaluer l'apport des méthodes locales de surface « sans contact », grâce à la mesure du travail de sortie local et de l'énergie de liaison des niveaux de cœur, pour l'étude des phénomènes liés au dopage dans ces objets, comme par exemple l'uniformité longitudinale. Nous mettons d'abord en évidence l'importance de la préparation des échantillons pour la mise en œuvre des techniques citées: méthodes de transfert des fils, adéquation du substrat, influence des caractérisations pré-analyse. Nous présentons ensuite deux principales études de cas en lien avec une problématique technologique : les microfils de nitrure de gallium dopés Si (diamètre 2 µm) pour applications dans l'éclairage à l'état solide, et les jonctions pn à nanofils de Si (diamètre 100 nm) pour la nanoélectronique basse puissance. Dans le premier cas, nous avons mis en œuvre la SCM pour l'identification rapide de l'hétérogénéité axiale du dopage n, puis avons utilisé l'imagerie XPEEM spectroscopique avec excitation synchrotron pour, d'abord, estimer le travail de sortie local et la courbure de bande en surface; ensuite, élucider les modes d'incorporation du silicium en surface, qui pointent notamment sur la sensibilité des conditions d'élaboration dans la part du dopage intentionnel (Si en sites Ga) et non intentionnel (Si sur sites lacunaires en azote). (Des mesures complémentaires sur sections radiales et longitudinales de fils, par microscopie Auger et spectrométrie ToF-SIMS montrent une incorporation du Si limitée à la surface des microfils). Concernant les jonctions pn à nanofils de silicium étudiées après retrait partiel de l'oxyde de surface, nous avons mis en relation des résultats obtenus indépendamment par KFM et par XPEEM. Ils mettent conjointement en lumière une très faible différence de travail de sortie local entre partie n et partie p, et qui semble en partie expliquée par un ancrage du niveau de Fermi en surface.

This thesis addresses the characterization of individual doped semiconductors microand nanowires by photoemission electron microscopy (XPEEM) and near field techniques : Kelvin probe force microscopy (KFM) and scanning capacitance microscopy. The aim of this study is to evaluate the benefits of contactless surface methods, thanks to local work function and core level binding energy measurements, for the study of phenomena linked to doping in such objects, like for example axial uniformity. First, we highlight the importance of sample preparation required for these techniques: wires transfer methods, substrate/wire match, and preanalysis characterization influence. Then we present two case studies addressing technological issues: Si doped gallium nitride microwires (2μm diameter) for solid state lighting, and p-n junction nanowires (100 nm diameter) for low power microelectronics. In the first case, we have performed SCM for quick identification of n doping axial heterogeneity, then performed spectroscopic XPEEM using synchrotron radiation to, first, estimate local work function and surface band bending, then clarify surface silicon incorporation highlighting growth process influence over intentional (si on Ga sites) and unintentional doping (si on nitrogen vacancy). Complementary measurements on both axial and radial section of wires have been led by Auger microscopy and ToF-SIMS, highlighting silicon incorporation preferentially at the surface of the microwires. Regarding p-n junctions, after partial removal of surface oxide, we have linked results obtained independently by KFM and XPEEM. Both methods highlighted a weak local work function difference between n-doped and p-doped part, partly explained by Fermi level pinning induced by surface states.