Transport électronique en présence d'états localisés dans les semi-conducteurs désordonnés

Electronic transport in the presence of localized states in disordered semiconductors

• Auteur / Autrice : Abel Thayil
• Direction : Marcel Filoche, Jacques Peretti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Silke Biermann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcel Filoche, Jacques Peretti, Bernard Gil, Christophe Texier, Maria Chamarro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernard Gil, Christophe Texier

Mots clés

Mots clés libres

Transport

Localisation

Semi-Conducteurs

Désordre

Transport

Localization

Semiconductors

Disorder

Résumé

Le développement de l'industrie des semi-conducteurs et, en parallèle, la recherche en physique des semi-conducteurs, a conduit à la miniaturisation des dispositifs à l'échelle du nanomètre. À cette échelle, toutes les imperfections ou inhomogénéités du matériau peuvent avoir un impact considérable sur les performances électriques ou optiques. Les désordres structurels tels que les défauts ou les désordres de composition intrinsèques présents dans les alliages aléatoires peuvent conduire à la localisation des fonctions d'onde électroniques.Ce travail traite du transport électronique dans les semi-conducteurs en présence d'états localisés. Premièrement, nous décrivons le transport électronique en présence d'états localisés profonds dans le régime de charge d'espace. Le régime de charge d'espace fait référence à des situations où il existe des champs électrostatiques non négligeables dans un semi-conducteur modifiant le flux de courant. La prise en compte du champ électrostatique nécessite la résolution de l'équation de Poisson couplée aux équations de dérive-diffusion. Nous montrons que les effets électrostatiques et les effets de recombinaison via des pièges profonds sont importants pour modéliser convenablement les courbes de polarisation du courant dans des échantillons expérimentaux de silicium piézorésistif.Nous modélisons ensuite le transport par sauts entre états localisés induit par le désordre intrinsèque. Le transport par sauts se produit lorsqu'un électron saute d'un état localisé à un autre assisté par desphonons. C'est le mode de transport dominant à des concentrations de porteurs suffisamment faibles et à des températures suffisamment basses. Le transport par sauts est souvent étudié à l'aide du modèle de Miller-Abrahams qui nécessite un ensemble de paramètres empiriques pour définir les taux de transition et les chemins préférentiels entre les états. Nous montrons que ce réseau de sauts peut être visualisé avec un potentiel effectif dérivé de la théorie du paysage de localisation, et que le couplage entre états localisés est essentiellement supporté le long de géodésiques d'une métrique déduite du paysage de localisation. Nous calculons les taux de transition à l'aide de ce potentiel effectif et comparons ces prédictions à des calculs exacts des états propres, puis évaluons donc l'applicabilité de la modélisation du transport par sauts à l'aide de la théorie du paysage de localisation.

The development of the semiconductor industry and in parallel, the research in semiconductor physics has led to the miniaturization of devices to the nanometer scale. At this scale, all imperfections or inhomogeneities of the material can drastically impact the electrical or optical performance. Structural disorder such as defects or intrinsic compositional disorder present in random alloys can lead to the localization of the electron wavefunctions.This work addresses electronic transport in semiconductors in the presence of localized states. First, we describe electronic transport in the presence of deep localized states in the space charge regime. The space charge regime refers to situations when there are non-negligible electrostatic fields in a semiconductor altering the current flow. Accounting for the electrostatic field requires solving the Poisson equation coupled with the drift-diffusion equations. We show that the effects of electrostatics and recombination via deep traps are important to suitably model the current-bias curves in experimental samples of piezoresistive silicon.We then model hopping transport between localized states induced by intrinsic disorder. Hopping transport occurs when an electron hops from one localized state to another assisted byphonons. This transport is predominant at low enough carrier concentrations and low enough temperatures. Hopping transport is often studied using the Miller-Abrahams’ model that requires a set of empirical parameters to define the hopping rates and the preferential paths between the states. We show that this hopping network can be visualized with an effective potential derived from the localization landscape theory, and that the coupling between localized states is essentially supported along geodesics of a metric deduced from the localization landscape. We compute the hopping rates using this effective potential, and compare its predictions with the exact eigenstate calculations, then assess the applicability of modeling hopping transport using the localization landscape theory.