Mesures sous obscurité

Nous avons effectué des mesures électriques (dans la boite à gants, atmosphère d’azote) dans

l’obs-curité sur des photodétecteurs à base de fils de ZnO (voir Figure5.1). Sur l’image MEB on distingue au

centre un nanofil de 8µm qui est contacté par deux bandes métalliques. À droite de l’image on trouve

un schéma du composant qui présente la tension source drain V

_ds

qui est appliquée sur les contacts

et la tension de grille qui est appliquée en dessous de l’échantillon, via une polarisation du substrat

de silicium (dopé p_`) isolé par une couche isolante de SiO

₂

. Les mesures sur des contacts 2 pointes

permettent de connaître la résistance totale du système en utilisant la loi d’Ohm (voir Figure5.2) et elle

se situe autour de250kΩ pourV

_g

“0V. Sur ce graphique nous pouvons voir que la tension de grille a

une influence sur les propriétés électriques. Lorsque l’on diminue la tension de grille, un comportement

non-linéaire apparaît et la résistance augmente (500kΩ et 360kΩ pour respectivement V

_g

“ ´10V et

V

_g

“ ´5V). Et inversement pour les tensions de grilles positives, la courbe reste linéaire et la résistance

diminue (220kΩet 160kΩ pour respectivementV

_g

_“5V etV

_g

_“10V). Cela nous indique par ailleurs

que le semiconducteur est dopé de type n (c’est à dire que les porteurs de charges majoritaires sont les

électrons), car au vu de la géométrie de notre système, lorsque l’on applique une tension de grille

néga-tive, la taille du canal de conduction est réduite (si la zone est totalement déplétée de porteurs mobiles

on parle alors de pincement du canal). À l’inverse pour les tensions positives, le canal de conduction est

plus important et favorise le mouvement des charges à l’interface entre le substrat et le semiconducteur.

La tension de grille nous permet donc de commander l’intensité du courant parcourant le fil.

Comme nous l’avons dit précédemment, c’est la résistance totale du système (R

_tot

“ R

_contact

`R

_{f il}

)

que nous avons mesurée ici. L’une des manières de nous affranchir de la résistance des contacts est

d’effectuer une mesure 4 pointes (technique décrite dans le chapitre "Techniques Expérimentales") où

l’on mesure la chute de potentiel dans une partie du semiconducteur suite au passage d’un courant.

C’est ce que nous avons fait (voir Figure 5.3) et nous avons trouvé une résistance de 35kΩ pour une

portion de 1µm de fil (à tension de grille nulle). Il y a 2.5µm entre les électrodes, ce qui signifie que

Figure 5.1 – a. Image MEB d’un photodétecteur à base de nanofil unique. L’échelle mesure 5 µm.

b. Schéma du composant, la tension source drain V

_ds

est appliquée via des électrodes en Ti/Au. Une

tension de grilleV

_g

est appliquée en dessous de l’échantillon, via une polarisation du substrat de silicium

(dopé p`) isolé par une couche isolante enSiO

₂

.

la résistance du fil est au total de R

_{f il}

“ 87.5kΩ. En considérant un nanofil cylindrique de diamètre

d

_nw

_“250nmet en utilisant la formule :

ρ“R ^S

^ø

L

_ds

avec R la résistance du fil, S

_ø

la surface du fil en coupe transversale et L

_ds

la distance entre les deux

électrodes. On obtient une résistivité de ρ

ZnO

“ 1.9.10

´3

Ω.m, ce qui est cohérent avec la littérature

[98], qui montre une grande disparité de valeurs de résistivité (de 10

´3

à 10

5

Ω.m). On en déduit aussi

que la résistance des contacts R

_contats

“ 162.5kΩ est la contribution principale à la résistance totale

du photodétecteur. Une meilleure maîtrise de l’interface métal-semiconducteur lors la fabrication

per-mettrait d’améliorer l’efficacité du détecteur. Il est également probable que la longueur du contact sur

le ZnO (ici 1.5µm) ne soit pas suffisante pour assurer une collection parfaite du courant (en première

approximation où le courant décroît exponentiellement sous le contact sur une longueur typique de

quelques microns).

5.1.2 Mesures KPFM

Nous avons effectué également des mesures KPFM (Kelvin probe force microscopy) sur cet

échan-tillon. Ces mesures avaient pour but de déterminer par un autre moyen la valeur de la résistance du

nanofil seul. Lors de la mesure, il est important de prendre en compte le fait que nous avons à faire à

des matériaux différents, ce qui signifie que le travail de sortie φ des électrons entre la pointe KPFM

en tungstène et l’échantillon est différent. C’est pourquoi il faut prendre en compte ce potentiel, qui est

habituellement nommé V

_{CP D}

(pour contact potential difference), afin d’interpréter les mesures.

La figure 5.4 présente le potentiel de surface enregistré par le KPFM en fonction de la position sur

l’échantillon. Ce graphique a déjà été brièvement présenté dans la partie "Techniques Expérimentales",

mais pour résumer, cette mesure a été extraite d’une cartographie 2D de l’échantillon et l’on présente

ici le potentiel mesuré entre deux contacts métalliques avec le nanofil au centre.

La mesure "brute" V

_mes

(en rouge sur la figure) ne prend pas en compte la disparité des travaux de

sortie. C’est pourquoi il est nécessaire de lui soustraire V

_{CP D}

afin de procéder à l’analyse des résultats.

C’est ce que nous avons fait avec la courbe noire, où l’on observe une chute de potentiel linéaire entre les

Figure 5.2 – Mesure I-V du photodétecteur par le biais d’une mesure 2 pointes. On constate que la

tension de grille influe sur la valeur de la résistance et aussi sur la forme des courbes (comportement

ohmique aux tensions de grilles positives).

positions1.5µmet3.5µm c’est à dire là où se trouve le nanofil. En mesurant cette variation de tension

et en prenant en compte le courant qui circule dans le fil, on peut en déduire la valeur de la résistance

du fil : elle est de33kΩ. De même en mesurant la valeur totale de la résistance du systèmeR

_tot

on peut

en déduire la résistance au niveau des contacts, et on obtient R

_contact

“ R

_tot

´R

_{f il}

“ 156kΩ. Ce qui

signifie que les contacts sont responsables en grande partie de la résistance électrique de l’échantillon.

On constate que les résistances de contacts sont très similaires (162.5kΩ pour la mesure 4 pointes et

156kΩpour la mesure KPFM). En revanche, on ne trouve pas exactement la même valeur de résistance

pour le nanofil (87.5kΩ et 35kΩ). Cela peut s’expliquer en partie par le fait que la mesure n’a pas

été effectuée sur le même nanofil que lors des mesures 4 pointes (car celui ci est un photodétecteur 2

pointes), mais aussi par le fait que les mesures n’ont pas été réalisées dans des conditions strictement

équivalentes. Dans le premier cas, la mesure a été effectuée dans une atmosphère d’azote, alors que dans

le second cas, elle a été effectuée dans l’air sous un concentration réduite en vapeur d’eau. Ce qui, nous

allons le voir, a une grande incidence sur les propriétés électriques.

Le KPFM étant extrêmement sensible à la surface, il est nécessaire de prendre des précautions afin

de limiter l’altération de cette surface (comme peut le faire la condensation). En temps normal le taux

d’humidité relative de la pièce est de 35% (pour T „ 22°C) et la mesure a été effectuée à 18%. Nous

avons cependant remarqué que la concentration en vapeur d’eau dans l’air avait une influence sur les

propriétés électriques de l’échantillon (voir Figure 5.5). Sur ce graphique on a enregistré le courant

d’obscurité pour une humidité de 18% puis nous avons fait entrer de l’air extérieur et recommencé les

mesures plusieurs fois au cours de la demi-heure suivante. On constate immédiatement que lorsque

l’hu-midité est plus faible le composant présente un comportement beaucoup plus linéaire et a une résistance

plus faible (32kΩ contre 263kΩ en temps normal). Le second graphique (voir figure 5.5b), est extrait

du premier et représente l’intensité du courant d’obscurité à V

_ds

“ 1V en fonction du temps (ce qui

met en évidence la dynamique d’interaction des molécules d’eau avec la surface). On obtient une courbe

qui peut être décrite par une exponentielle d’ordre 1, avec un temps de vie deτ

_eau

“188s, l’absorption

de l’eau par la surface est par conséquent un phénomène lent et qui influe sur les propriétés électriques.

Dans cet article [99] les auteurs indiquent que les molécules d’H

₂

O sont sujettes à la physisorption

(ab-Figure5.3 – Mesure de la résistance d’un nanofil seul par le biais d’une mesure 4 pointes. On obtient

une résistance de R

_1µm

“35kΩpour un nanomètre de nanofil, et une résistivité ρ

_ZnO

“1.9.10

´3

Ω.m.

Figure5.4 – a. Mesure KPFM de la résistance du nanofil seul et de la résistance totale. On en déduit

que les contacts ont une résistance de156kΩ.

Figure5.5 –a. Mesure I-V avec le KPFM en fonction de l’humidité relative (à 20°C). Une fois exposé

de nouveau à une atmosphère riche en vapeur d’eau, le conductivité diminue progressivement. b. La

décroissance temporelle suit une fonction exponentielle. Les valeurs de courant sont indiquées pour

V

_ds

_“1V etV

_g

_“0V.

sorption sans formation de liaison chimique) à la surface du ZnO. L’H

2

O est une molécule polaire, c’est

à dire que le barycentre des charges positives (atomes d’hydrogène) et celui de la charge négative (atome

d’oxygène) ne coïncident pas, ce faisant, la molécule possède un moment dipolaire. Cette propriété lui

permet de capturer un électron libre à la surface grâce à la force de Van der Waals.

Cela nous amène donc à discuter des effets de l’atmosphère, que nous avons étudié dans un

environne-ment contrôlé d’argon, de dioxygène et aussi dans le vide.

5.1.3 Effets de surface

Nous allons maintenant voir, un peu plus en détails, les effets de surface. Sur la figure 5.6, on a

représenté la structure de bande d’un nanofil cylindrique en vue de côté. Du fait que l’on atteint une

rupture de la périodicité de l’organisation des atomes en surface, des liaisons pendantes apparaissent, ce

qui déforme la bande de valence (E

_v

) et la bande de conduction (E

_c

). Le niveau de Fermi reste quand

à lui constant à l’équilibre thermodynamique.

Du fait de l’accumulation d’électrons à la surface, une zone de charge d’espace (ZCE) apparaît à la

périphérie du fil. Cette zone a une densité plus faible d’électrons libres et est par conséquent beaucoup

plus résistive. Seul le centre du fil (à condition que le nanofil soit d’un diamètre suffisant) est épargné

par le phénomène et peut contribuer pleinement à la conduction. À noter que lorsque l’on applique

une tension de grille négative sur ce système on réduit d’autant plus cette zone, jusqu’à aboutir à un

pincement du canal (comme on a pu le voir sur la Figure5.7pour toutes les tensions de grilles inférieures

à V

_g

„ ´10V). Ce graphique présente l’intensité du courant d’obscurité en fonction de la tension de

grille pour une tension drain source de V

_ds

“1V. Le courant est très dépendant de V

_g

, pourV

_g

ă10V

le courant d’obscurité est quasi nul („ 10

´13

A), alors que pour V

_g

_ą 0V il est de l’ordre du micro

ampère. Ces mesures nous indiquent qu’il est possible de contrôler la circulation du courant dans le fil

en appliquant une tension de grille.

Par contre, lorsque l’on expose le nanofil à la lumière UV, des paires électrons trous sont créées dans

le semiconducteur et les trous se dirigent vers la surface pour désabsorber les molécules d’oxygène. En

conséquence, des électrons sont libérés, la barrière de potentiel en surface diminue, la taille du canal de

conduction augmente et le photocourant augmente dans le fil.

Figure5.6 – Schéma de l’influence de l’oxygène en surface sur les propriétés électriques des nanofils. a.

Dans l’obscurité, les molécules d’oxygène sont absorbées sur la surface en capturant des électrons, cela

crée une barrière de potentiel qui réduit la densité d’électrons libres aux alentours. b. La lumière UV

contribue à la désorption des molécules précédemment capturées et augmente la conductivité du fil.

Figure5.7 – CourbeI

d

´V

g

(de transconductance) obtenue à température ambiante et avecV

ds

“1V.

La circulation des électrons peut être contôlée en appliquant une tension de grille. Image insérée : Courbe

Dans le document Réalisation et caractérisation de photodétecteurs à base de nanofils de semiconducteur (Page 97-103)