Jonction p-n dopé par charge d'espace : diode 2D à partir de quelques couches de Séléniure d'Indium

Space Charge Doped p-n Junction : 2D Diode with Few-layer Indium Selenide

• Auteur / Autrice : Wenyi Wu
• Direction : Abhay Shukla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Vidal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Happy, Maria Luisa Della Rocca

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indium -- Composés

Charge d'espace

Semiconducteurs -- Dopage

Propriétés électroniques

Couches minces

Mots clés libres

Dopage par charge d'espace

Bi-dimensionnel diode

Séléniure d'indium

Jonction p-n

Space charge doping

P-n junction

Indium selenid

Résumé

Ce travail allie les propriétés singulières des matériaux 2D à une technique innovante utilisée pour modifier les propriétés électroniques des films ultra-minces pour proposer une nouvelle technologie permettant de réaliser le dispositif électronique le plus simple, la diode. Tout d'abord, nous identifions les matériaux semi-conducteurs pouvant être fabriqué en couches ultra-minces. Deuxièmement, nous utilisons une technique appelée dopage par charge d'espace développée dans notre groupe pour le dopage n ou p des matériaux. Enfin, nous obtenons les caractéristiques de diode des dispositifs. Le manuscrit commence par une revue des matériaux. Dans la famille des matériaux 2D, notre choix s'est porté sur un semi-conducteur en couches III-VI avec une bande interdite directe : InSe. Nous avons aussi choisi un type de matériau très différent, le CdO polycristallin qui n'est pas lamellaire et n'a pas une bande interdite directe, mais qui est facile à fabriquer sous forme de film ultra-mince avec une grande mobilité de porteurs. Après des expériences préliminaires, nous avons choisi InSe et fabriqué des dispositifs de films ultra minces de InSe. Nous avons développé en parallèle deux géométries pour la diode p-n. Nous avons pu obtenir un redressement pour chaque géométrie, ce qui implique que notre approche de dopage par charge d'espace a réussi à produire un dopage différencié spatialement dans chaque dispositif. Nous discutons des caractéristiques I-V obtenues et les limitations inhérentes aux dispositifs (chauffage local, hystérèses) et suggérons des améliorations afin d'obtenir un fonctionnement plus efficace et stable dans le cadre des perspectives de cette thèse.

This work combines the singular properties of 2D materials with an innovative technique used for changing the electronic properties of ultra-thin films to propose a new technology for making the simplest bipolar electronic device, the diode. Firstly we identify semiconducting materials which can be fabricated in ultra-thin layers. Secondly, we use a proprietary technique called Space Charge Doping developed in our group for doping the material, either n or p. Finally, we obtain diode characteristics from the device. The manuscript begins with a review of different materials and properties. In the family of 2D materials, our choice was a III-VI layered semiconductor with a direct bandgap: InSe. We also chose a completely different kind of material, polycrystalline CdO, which is neither layered nor has a direct bandgap but is easy to fabricate in the ultra-thin film form and has high carrier mobility. After preliminary experiments, we chose InSe and fabricated devices of ultra-thin, few atomic layer InSe thin films. We chose to develop in parallel two different geometries for the p-n junction diode. We were able to obtain rectifying behavior for each geometry implying that our space charge doping approach was successful in producing microscopically, spatially differentiated doping in each device. We discuss the obtained I-V characteristics and the inherent limitations of the devices (local heating, hysteresis) and suggest improvements for future experiments and ways of obtaining more efficient and stable functioning and geometry as part of the perspectives of this thesis.