Echantillons étudiés

Croissance et description des fils

IV.1.2.1

Les microfils de silicium sont synthétisés par CVD. Dans un four porté à 650 °C, un substrat de silicium, recouvert de gouttes d’or faisant office de catalyseur, est soumis à une atmosphère de silane et de diborane. Une représentation schématique du procédé, par ailleurs détaillé dans la référence [206] est donnée en Figure IV-2. Les fils, qui croissent selon la direction cristalline <111> présentent trois zones différentes le long de l’axe de croissance (Figure IV-2): à la base l’absence de diborane en début de croissance génère une zone non intentionnellement dopée. Après ajout du précurseur de dopage lors de synthèse, on obtient une seconde zone dopée p, dite de transition, puis, après un certain temps de croissance, une dernière zone considérée comme la zone de dopage p nominal.

Les microfils de silicium étudiés possèdent donc trois zones de dopages différents qui sont bien mises en évidence par microscopie électronique à balayage (Figure IV-3). Sur l’image, nous pouvons distinguer le facetage des fils. Ils possèdent une hauteur moyenne de 24 µm pour un diamètre moyen de 1,6 µm. La première zone de dopage possède une rugosité de surface clairement plus élevée que les deux zones dopées et son diamètre est sensiblement inférieur (-50nm). On peut observer par ailleurs à la base des fils un élargissement du diamètre.

Figure IV-2 : Procédé de croissance CVD de microfils de silicium dopé en bore.

Figure IV-3 : Image MEB de microfils de silicium dopés sur leur substrat de croissance

Estimation du dopage

IV.1.2.2

Au cours de sa thèse David Kohen (CEA-Liten) a utilisé le Raman pour estimer le taux de dopage au sein de ces fils de silicium dopé. Le Raman permet en première intention de vérifier la qualité cristalline du silicium, les siliciums cristallins et amorphes possèdent des pics à des nombres d’onde différents (respectivement 520 cm-1 _{et 480 cm}-1_{) comme nous pouvons le voir}

Figure IV-4 : Spectre Raman pris en différents points d'un microfil de silicium montrant la nature amorphe de la base (points C et D) et un dopage inférieur à 2.1019 _cm-1 _{par l’absence d’effet Fano. [205]}

Le Raman est aussi sensible au dopage. Le fort dopage d’un semi-conducteur provoque l’apparition d’un continuum d’états électroniques en plus des états vibrationnels discrets. L’énergie des transitions de ce continuum (transitions inter bande de valence, absorption des photons par des porteurs libres) entraine des phénomènes d’interférences se traduisant par la modification de la forme du pic de diffusion Raman. Cet effet Fano se traduit par l’élargissement du pic vers les grand nombre d’ondes.

Figure IV-5 : Réponses Raman d’un nanofil de silicium non dopé et d’un nanofil de silicium dopé. Les pics sont respectivement à 521 cm-1 _{et 513 cm}-1_{. L’effet Fano est}

observable sur le spectre du fil de silicium dopé.

Comme nous pouvons le voir sur cette figure le spectre Raman de nanofils dopés présente une asymétrie claire de part et d’autre du pic à 513 cm-1_{. Le pic est, de plus, décalé de 8 cm}-1 _{vers les}

grands nombres d’ondes. Le fort dopage p du fil induit ces modifications de la réponse Raman du fil. Grâce à la mesure Raman d’échantillons de références de dopages connus (3.1019 _cm-3 _et

5.1019 _cm-3_{), il est possible de conclure à la présence d’un dopage, au sein du fil, supérieur à}

5.1019 _cm-3_.

La résolution spatiale du micro-Raman est limitée à la taille du spot laser soit 1 µm environ. Le Raman n’est pas une étude de surface, la longueur d’onde du laser permet de modifier la profondeur sondée mais elle reste limitée (environ 1 µm pour un laser à 532 nm) se traduisant par la traversée complète d’un nanofil. Le choix d’un substrat de nature différente au fil étudié permet toutefois d’éviter l’apparition d’interférences liées à la réponse du substrat.

Le Raman est une méthode pseudo quantitative possédant une résolution spatiale de l’ordre du micromètre, trop élevée pour l’étude de structures nanométriques. Enfin, elle ne possède pas de résolution en profondeur et sa limite de sensibilité au dopage est très élevée.

Echantillons pour les observations microscopiques

IV.1.2.3

Pour cette étude, le TiN a été choisi comme substrat pour la dispersion des fils à observer en XPEEM et en champ proche. Nous avons utilisé pour la dispersion la méthode mécanique directe par frottement. Après report des fils, la majorité des fils obtenus ne présente plus l’élargissement à la base : comme le montre l’image MEB de la Figure IV-6, la rupture des fils s’effectue généralement au rétrécissement du diamètre puisque la longueur mesurée de 20 µm est très proche de celle donnée par l’image de la Figure IV-3. Sur l’image MEB en Figure IV-6, nous remarquons un contraste marqué entre la zone centrale et les deux zones de part et d’autre ; cependant, le contraste entre ces dernières est quasi-nul. En conséquence, pour éviter toute ambiguïté sur la localisation de la zone intentionnellement dopée en haut du fil, nous avons choisi de conserver le catalyseur d’or afin de disposer d’un repère précis.

Figure IV-6 : Images MEB de microfils de silicium dopé intentionnellement en bore sur leur substrat de croissance et microfils transféré sur TiN. Les microfils de silicium présentent trois types de dopages. L’image de droite met en évidence les différentes facettes du fil.