Nature des contacts

IV.2.4.1 Schottky•ou•ohmique•?•

L’aspect non linéaire de la caractéristique I(V) (Figure IV-4a p122) des nanonets peut provenir d’une barrière à l’interface entre l’électrode métallique et les nanofils de silicium semi-conducteurs, suggérant une configuration avec deux diodes Schottky tête-bêche (configuration dite en « back to back Schottky ») [3,15,28,29]. Afin d’étudier l’effet de la nature du contact métal-silicium (ohmique ou Schottky), différents métaux de contact ont été étudiés. Ces métaux ont été choisis pour la large gamme de travaux de sortie qu’ils représentent, comme donné dans le Tableau IV-1.

Tableau IV-1 : Métaux utilisés pour l’électrode de contact avec les nanonets de silicium et leur différents travaux de sortie d’après [24,30].

métaux Ti Al Ni Au Pt

e_߶ 3,8 4,3 4,5 4,8 5,3

Ainsi, étant donné l’affinité électronique du silicium (4,01 eV à 300 K [31]), le dopage n et la nature dégénérés des nanofils étudiés, seul le titane présenterait un travail de sortie inférieur à celui du silicium dopé n permettant un contact ohmique [23]. Tous les autres métaux ayant un travail de sortie supérieur à celui du silicium dopé n, introduirait une barrière de potentiel empêchant le passage des électrons, c’est-à-dire, un contact dit Schottky [23].

Sur le diagramme de bande schématique de la Figure IV-8a, les différents métaux étudiés ont été placés en fonction de leur travaux de sortie et le silicium, semiconducteur avec une bande interdite de 1,11 eV et une affinité électronique de 4,01 eV, a été représenté [32]. Les nanofils de silicium étant dégénérés, le niveau de Fermi a été situé dans la bande de conduction du silicium.

126

Figure IV-8 : (a) Diagramme de bande schématique représentant les électrodes métalliques et les nanofils de silicium semi- conducteur avant contact avec ߶m et ߶Si leur travail de sortie respectif et e•Si l’affinité électronique du silicium. Les bandes

de conduction (B.C.) et de valence (B.V.) du silicium sont également schématisées. (b) Caractéristiques I(V) de dispositifs à base de nanonets de silicium de densité 27×106 NFs.cm-2 et de distance interelectrode de 50 µm avec des métaux de

contact différents : titane (Ti), aluminium (Al), nickel (Ni), or (Au) et platine (Pt).

Des mesures deux pointes ont ensuite été réalisées sur les dispositifs à base de nanonets de silicium contactés par différentes électrodes métalliques et nous avons reporté sur le graphe de la Figure IV-8b leurs caractéristiques I(V) normalisées par rapport à la valeur du courant à -5V. Nous observons alors que la nature du contact métallique n’a absolument pas d’influence sur l’allure des courbes I(V) des nanonets de silicium. En effet, pour tous les métaux étudiés, le même comportement électrique non linéaire est obtenu. Nous pouvons donc conclure que la conduction à travers l’interface métal-nanofils n’est pas le mécanisme limitant pour la conduction des nanonets de silicium.

Il existe deux situations pour lesquelles le comportement électrique est indépendant du métal. La première s’explique par la présence de défauts à l’interface métal-semiconducteur qui perturbent la circulation des porteurs de charge [33]. J. Bardeen a montré qu’en présence d’un grand nombre d’états d’interface, la hauteur de barrière de potentiel devient indépendante du travail de sortie du métal [34], et le niveau de Fermi est alors dit bloqué par les états d’interface. La deuxième situation se rencontre dans le cas de semiconducteurs dégénérés au niveau de la zone de contact métal-semiconducteur. Le dopage élevé des nanofils de silicium a pour effet de réduire suffisamment la zone de charge d’espace dans le semiconducteur pour que les électrons puissent la traverser par effet tunnel, annulant ainsi l’effet des travaux de sortie des différents métaux.

Etant donné le caractère dégénéré des nanofils utilisés dans ce travail, il est donc raisonnable de conclure que le comportement rectifiant des nanonets de silicium ne trouve pas son origine au niveau de l’interface métal-nanofil. Par ailleurs, considérant les avantages du nickel pour contacter le silicium présentés précédemment (partie IV.1.1.2 p118), notamment pour sa capacité à former un siliciure à basse température, ce métal est resté le métal de référence pour contacter les réseaux de nanofils de silicium. -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Id / I-5V Vd (V) Ti Al Ni Au Pt (a) (b)

127 IV.2.4.2 Apport•de•la•siliciuration•2_•

Afin de former un siliciure qui permettrait d’optimiser le contact entre le nickel et les nanofils de silicium, nous avons effectué un traitement thermique à 400°C pendant 1 min sous azote des dispositifs électriques à base de nanonets de densité de 27×106 NFs.cm-2 et à base de nanofil unique.

L’image MEB capturée au niveau de ce contact (Figure IV-9a) montre un contraste différent au niveau de l’interface nickel-nanofil de silicium (Ni-NFSi), mettant en évidence la diffusion du nickel dans le nanofil après le recuit. On peut noter sur cette image MEB, la présence de nickel dans le nanofil sur une longueur d’environ 200 nm correspondant à la partie siliciurée du nanofil. Par ailleurs, une analyse dispersive des rayons X (caractérisation EDX, « Energy Dispersive X-ray spectroscopy »), au niveau de la zone plus claire du nanofil, proche du contact Ni-NFSi, a permis de confirmer la présence de nickel dans le nanofil (Figure IV-9b). Le recuit thermique s’effectuant dans une atmosphère neutre d’azote, de l’azote est également observé sur ce spectre EDX.

Nous avons ensuite comparé les caractéristiques électriques des dispositifs électriques à base de nanofil unique et à base de nanonets de densité de 27×106 NFs.cm-2, obtenues avant et après recuit à 400°C. Les courbes I(V) avant et après le recuit de ces dispositifs sont reportées sur la Figure IV-9c et d. Pour les deux types de dispositif, on observe après recuit une augmentation significative du courant. En effet, après recuit, le dispositif à base de nanofil unique étudié a toujours une caractéristique I(V) linéaire et sa résistivité diminue légèrement : 1 m!.cm après recuit comparé à 1,7 m!.cm avant recuit (d’après l’Equation IV-1).

Par ailleurs, l’augmentation de courant observée pour le dispositif à base de nanonets est pertinente car la variation de la caractéristique I(V) après recuit est beaucoup plus grande que les fluctuations mesurées sur différents dispositifs composés de nanonets de densité 27×106 _NFs.cm-2

avant recuit (zone bleue Figure IV-9d). Cette augmentation résulte de la formation d’un siliciure à l’interface Ni-NFSi (image MEB Figure IV-9a) qui permet d’optimiser cette interface en améliorant le transport électronique à travers le contact métal-semiconducteur. L’augmentation du courant après recuit a été observée sur tous les dispositifs étudiés (5 à base de nanofil unique et une centaine à base de nanonets de silicium). Par conséquent, on peut conclure que la siliciuration est un processus fiable qui crée des interfaces métal-semiconducteur reproductibles et qui améliore les performances électriques des différents dispositifs étudiés.

2 _{P.Serre, M. Mongillo, P. Periwal, T. Baron, C. Ternon, Highly Reproducible Percolating Silicon}

128

Figure IV-9 : (a) Image MEB d’un contact en nickel siliciuré à 400°C avec la présence de nickel dans le nanofil sur une longueur d’environ 200 nm et (b) spectre EDX réalisé au niveau de l’interface Ni-NFSi confirmant la présence de nickel et

silicium dans le nanofil à l’interface avec le contact métallique. Caractéristiques I(V) avant et après le recuit thermique effectué à 400°C pendant 1 min sous azote sur un dispositif à base de (c) nanofil unique de silicium dégénérés et (d) un

nanonet de silicium de densité 27×106 NFs.cm-2.

En revanche, nous remarquons que la courbe I(V) des nanonets de silicium obtenue après recuit, et donc après siliciuration des contacts, est toujours non linéaire (Figure IV-9d). Ce résultat confirme que la conduction à travers les contacts nickel-silicium n’est pas le mécanisme limitant sur la conduction électrique des nanonets de silicium. Par ailleurs, on peut noter que l’augmentation du courant après recuit dans les nanonets est plus importante que celle dans les dispositifs à base de nanofil unique. En effet, le courant à ±5 V après recuit est multiplié par 2 à 3 pour les nanonets alors que pour un nanofil unique, il n’est multiplié que par 1,5 à 2. En effet, en plus de la siliciuration, le recuit thermique à 400°C induit également le frittage des nanofils de silicium dans les réseaux (partie II.3.3 p68, chapitre II) ce qui pourrait expliquer la meilleure conduction des dispositifs à base de nanonets après ce traitement thermique.

Il faut noter également qu’un recuit de dispositifs à base de nanonets de silicium dont les nanoparticules d’or ont été retirées après croissance des nanofils, entraine également une augmentation du courant d’un facteur 2 ou 3. Nous pouvons donc conclure que l’augmentation du

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -30 -20 -10 0 10 20 30 avant recuit après recuit Id (µ A ) Vd (V) NFSi unique -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 -4 -2 0 2 4 _{après recuit} avant recuit Id (µ A ) Vd (V) Nanonet Si (a) _(b) (c) _(d)

129

courant n’est pas due à la diffusion de l’or lors du traitement thermique à 400°C mais bien à la siliciuration des contacts et au frittage des nanofils au niveau des jonctions NF-NF, auxquelles nous allons à présent nous intéresser.