RAPPEL DES OBJECTIFS Cette thèse avait pour objectif principal d'investiguer les possibilités d'utili-ser des cristaux à la fois très minces et obtenus par des méthodes industrielles de dépôt de matériaux, comme substrats pour la croissance épitaxiale d'ensembles de nanofils de semiconducteurs iii–v. Cet objectif principal peut se scinder en trois interrogations majeures :
– Quelles caractéristiques ces cristaux devraient-ils posséder pour pouvoir être considérés comme de probables substrats pour la croissance verticale des nanofils ?
– Si ces critères sont vérifiés par une couche mince, le résultat attendu de croissance verticale de nano-fils est-il obtenu ; et est-il simple à obtenir et reproductible ?
– Est-il alors possible de diviser ce substrat couche-mince en de nombreux nano-substrats, qui per-mettraient alors la croissance de nanofils uniques, verticaux, et localisés, sur de nombreux types de supports ?
CONCLUSION Dans ce manuscrit, nous avons montré que le procédé AIC permet d'obtenir des couches minces cristallines de Si, grâce à des dépôts par pulvérisation cathodique magnétron, et un traitement thermique à basse température (typiquement 250 °C), à l'air. Le procédé que nous avons élaboré ( Cha-pitre 2.2, p. 47) nous permet de fabriquer des couches dotées d'une texture de fibre [111] avec une dispersion angulaire très faible (de l'ordre de 3° d'écart-type) (§ 2.2.1.1, p. 52). L'étude de la cinétique et thermodynamique de la cristallisation (§ 2.3.1, p. 61), ainsi que de son mécanisme microscopique (§ 2.3.2, p. 69) nous a permis de développer des recettes de fabrication reproductibles et validant le cahier des charges (Chapitre 2.4, p. 75) que nous nous étions fixé (Chapitre 2.1, p. 39).
Nous avons par la suite démontré la croissance verticale de nanofils de GaAs (§ 2.5.1, p. 86), en épitaxie avec les cristaux de Si (111) (§ 2.5.2, p. 87). Une petite quantité des nanofils restent, certes,
non verticaux ; mais nous avons pu montrer par une détermination statistique de leur orientation (§ 2.5.3.1, p. 89), que ces nanofils obliques sont dus à l'emploi de conditions de croissance non optimales, donnant lieu à la formation de macles tridimensionnelles à la base des nanofils. Cette étude statistique a également montré que la dispersion angulaire des fils autour de la verticale est du même ordre que celle des cristaux de Si (de l'ordre de 5°).
Il est connu que le procédé AIC permet la fabrication de couches cristallines de Si sur de nombreux substrats, tels que le verre et les plastiques. Nous avons en outre montré qu'il est possible de faire croître des cristaux de Si (111) à la surface d'un substrat usuel de Si (100) grâce à l'utilisation d'une couche séparatrice extrêmement fine (par exemple de SiOx), de l'ordre de quelques monocouches d'épaisseur (§ 2.4.2.4, p. 82). Ce résultat démontre qu'il est alors possible de faire croître des nano-fils verticaux de semiconducteurs iii–v sur un substrat de Si(100), grâce à l'utilisation d'une très fine couche de Si (111).
L'obtention aisée de nanofils verticaux sur ce substrat couche mince non conventionnel valide donc la série de caractéristiques que nous avions fixé (Chapitre 2.1, p. 39). La couche mince, pour permettre la croissance des nanofils, doit être très bien orientée, très peu rugueuse (pour ne pas exhiber de fa-cettes latérales), et composée des grains d'extension latérale plus grande que le diamètre des nanofils. Maintenant que nous avons démontré la croissance de nanofils verticaux localisés sur des nano-subs-trats de Si (111), nous pouvons envisager l'intégration de ces fils dans des dispositifs. Dans tout dispo-sitif optoélectronique, il est nécessaire de connecter électriquement les structures actives et donc de s'assurer que les substrats minces de Si sont suffisamment conducteurs pour permettre leur connexion de manière efficace. Nous avons travaillé sur l'élaboration d'une électrode métallique revêtue d'une très mince couche de Si (111) : en utilisant une couche barrière de diffusion adéquate, il est possible de revêtir une couche métallique d'une « peau » de Si (111) (Chapitre 2.6, p. 97)
La croissance localisée des nanofils est importante pour leur intégration dans des dispositifs : elle permet de positionner les fils selon la géométrie nécessaire et/ou optimale, afin qu'ils effectuent la fonction qui leur est dévolue. Dans un second temps (Chapitre 3, p. 107), nous avons par conséquent développé le concept de « nano-substrat » (Chapitre 3.1, p. 109), autrement dit l'utilisation comme substrat local de croissance d'ensembles de cristaux plans de forme et position, mais aussi d'orienta-tion cristalline prédéterminées.
Dans cette optique, nous avons démontré qu'il est possible de fabriquer des monocristaux de Si vali-dant tous ces objectifs, à l'aide d'empilements Al/a-Si finement divisés. Nous avons réussi à fabriquer des monocristaux de Si de diverses formes, jusqu'à des tailles de 1 µm (§ 3.2.2, p. 123). Ces
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cristaux sont également toujours orientés avec leur axe [111] perpendiculaire au substrat (§ 3.2.2.2, p. 124). L'étude complète de la cinétique de cristallisation des pastilles d'empilement Al/a-Si, menée dans le but de définir des recettes optimales de fabrication des ensembles de nano-substrats, a montré que leur cinétique de cristallisation est identique à celle des empilements d'extension latérale infini (§ 2.3.1, p. 61), avec toutefois une forte contribution de leur taille (§ 3.3.2, p. 129).
La croissance de nanofils de semiconducteurs iii–v auto-catalysés (croissance VLS) nécessite toutefois un ajustement de la position verticale des nano-substrats. En effet, nous avons montré qu'il n'est pas aisé de positionner les catalyseurs métalliques sur ceux-ci, s'ils sont simplement déposés à la surface d'un substrat (§ 3.4.1.1, p. 140). En revanche, un simple enterrement partiel des nano-substrats permet de rendre l'étape de localisation des catalyseurs très simple (§ 3.4.1.2, p. 143). La preuve de concept de l'utilisation de nano-substrats pour la croissance verticale de nanofils de semiconducteurs a ainsi été faite (§ 3.4.2, p. 148).
PERSPECTIVES Pour de nombreuses applications, telles que les LEDs à base de GaN, il serait intéres-sant de disposer de monocristaux de taille bien plus grande que quelques micromètres (de l'ordre de 100 µm de diamètre, idéalement). L'élaboration de couches très mince de Si, faites de grains de très grande dimension latérale est donc d'un grand intérêt. Ces couches seraient bien plus fines que les ma-tériaux épitaxiés, subissant alors toutes les contraintes. Si l'on arrive à désolidariser suffisamment les cristaux de Si du substrat sous-jacent, nous pourrions avoir un substrat compliant idéal. En revanche, pour la croissance 2D de semiconducteurs, nous savons d'ores et déjà qu'un important travail sur la rugosité de la surface du Si devra être effectué, afin de limiter au maximum l'apparition de domaines d'antiphase. Le Chapitre 3.5 (p. 157) introduit une stratégie d'augmentation de la taille des cristaux de Si. Nous montrons notamment qu'il est possible de localiser des grains de Si bien plus grand qu'à l'accoutumée, par la conception d'une couche barrière de diffusion lithographiée, placée à l'interface des couches Al/a-Si.
La croissance sous forme de nanofils de certains semiconducteurs iv ou iii–v sont plus faciles à réaliser que d'autres.Nous avons uniquement démontré la croissance verticale de nanofils autocatalysés de GaAs. L'équipe du Pr. Joan Redwing (Pennsylvania State University) a récemment démontré la pos-sibilité de faire croître des nanofils de Si sur des couches minces de Si obtenues par AIC.201 Mais de nombreux matériaux restent encore être tester. On peut par exemple penser au cas des nanofils dont la croissance s'effectue selon le mécanisme VSS (sans catalyseur), tels que le GaN. L'absence de goutte de catalyseur facilite grandement la conception des nano-substrats.
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