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Passivation des défauts de surface

L'utilisation d'un plasma hydrogène est souvent employée pour passiver les

dé-fauts du silicium [8, 9], notamment pour améliorer les performances des

transis-tors [10, 11].

En réalisant une passivation des défauts de surface sur les nanols, la largeur

de la zone déplétée deviendra plus petite, et de ce fait, la conduction du courant

sera favorisée. Le tableau IV.4 donne à titre indicatif pour les nanols de 30 nm

et 100 nm de large, les valeurs de résistances mésurées avec la densité de défauts

N

S

calculée aux environs de 10

13

cm

−2

ainsi que les valeurs auxquelles nous nous

attendons si l'on a N

S

=0.

N30nm P30nm

Longueur Mesurée attendue pour N

s

=0 Mesurée attendue pour N

s

=0

1400 29730.7 24705.9 107958.9 56149.7

1000 21694.5 17647.1 72039.1 40107.0

500 10315.9 8823.5 33934.5 20053.5

200 4449.2 3529.4 13751.1 8021.4

100 1739.2 1764.7 10229.8 4010.7

N100nm P100nm

Longueur Mesurée attendue pour N

s

=0 Mesurée attendue pour N

s

=0

1400 10378.8 8470.6 26284.3 17816.7

1000 6622.4 6050.4 18710.6 12726.2

500 3730.5 3025.2 9660.5 6363.1

200 1285.8 1210.1 3866.1 2545.2

Tab. IV.4 Valeurs des résistances mesurées et de celles attendues si N

S

=0 pour

les nanols de 30 nm et 100 nm de large (en Ω).

Pour le type N, la diérence entre les valeurs de résistances mesurées et

atten-dues n'est pas très grande, ce qui est normal puisqu'avec le niveau de dopage très

élevé, la largeur de déplétion dans les ls n'est que de 1.2 nm. En revanche, pour le

type P, la largeur de déplétion étant de 3.96 nm, la réduction des états d'interface

permettrait de diminuer nettement les résistances. Pour les ls de 100 nm, le gain

serait d'un facteur 1.5 environ et pour les ls de 30 nm, il serait environ de 2 (le

gain serait donc encore plus élevé pour les ls de largeurs inférieures). Nous avons

donc utilisé les échantillons de type P pour tester la passivation de surface.

Nous avons tout d'abord eectué des recuits de 3 minutes sous N

2

/H

2

pour des

températures de 300 à 500°C, les recuits pouvant induire une passivation des défauts

à l'interface Si/SiO

2

[7]. Cependant, nous n'avons observé aucune augmentation de

courant dans les nanols, quelles que soient leurs dimensions.

Nous avons alors envisagé une passivation des défauts de surface par l'hydrogène

atomique. An de pouvoir réaliser des mesures in situ en temps réél lors de l'étape

de passivation, nous avons utilisé une hydrogénation sous ultravide [1214], dans

un bâti monté avec les besoins de l'expérience. Nous avons alors repris les mêmes

IV.5 Passivation des défauts de surface

conditions que celles utilisées dans un autre bâti et qui donne de très bonnes surfaces

Si-H [14] : l'échantillon est chaué à 400°C environ, et de l'hydrogène diatomique,

qui sera dissocié grâce à un lament de tungstène chaué à 1500°C, est introduit à

une pression de 10

−6

Torr pendant 10 minutes.

Fig. IV.12 Photographie du montage réalisé pour eectuer une hydrogénation sous

ultravide en mesurant en même temps le courant dans les nanols.

L'image IV.12 présente une photographie du montage réalisé. Nous y retrouvons

au centre l'échantillon xé sur un bloc de cuivre qui sera chaué par eet joule grâce

à un l thermocoax (nickel/chrome) enroulé autour, et un thermocouple a été inséré

dans le bloc an de mesurer la température. Le lament de tungstène qui servira

à dissocier le dihydrogène se trouve à 5 cm environ de la surface. Enn, des ls

électriques sont connectés aux nanols grâce à de la résine époxy conductrice.

Fig. IV.13 Photographie du bâti monté pour eectuer l'hydrogénation sous

ultra-vide.

Une photographie de l'ensemble du bâti est donnée en gure IV.13. Nous pouvons

y voir la pompe turbo-moléculaire, la jauge à vide, la ligne d'arrivée de l'hydrogène

ainsi que la nappe électrique qui servira à chauer par eet joule le bloc de cuivre

CHAPITRE IV. CARACTÉRISATION ÉLECTRIQUE DES

NANOFILS DE SILICIUM

(et donc le substrat) et le lament de tungstène, et qui permettra de mesurer le

courant dans les nanols.

Avant d'introduire l'échantillon dans le bâti, des mesures électriques ont été

réa-lisées à l'air sur l'ensemble des ls, puis quelques ls ont été connectés pour pouvoir

être mesurés in situ.

Comme le bâti est mis à l'air avant de mettre le montage avec l'échantillon, de

nombreuses particules ainsi qu'une pellicule d'eau sont présentes dans le bâti. Un

étuvage est donc nécessaire avant de réaliser l'hydrogénation. Le bâti est alors étuvé

pendant une nuit à 150°C. La pression dans la chambre après cet étuvage est ainsi

de 2x10

−8

Torr.

L'échantillon est alors chaué à 400°C, puis l'hydrogène est introduit à une

pres-sion de 3x10

−6

Torr, et le lament de tungstène est chaué par eet joule à 1500°C

environ, le tout pendant 10 minutes. En même temps, nous mesurons l'évolution

du courant pour le l de 500 nm de long et 20 nm de large (gure IV.14a). Nous

pouvons noter deux choses : la première, c'est qu'à une température de 400°C, le

courant dans le nanol est très important puisque nous avons 50 µA pour 0.1 V

aux bornes du nanol. La deuxième est que le courant augmente eectivement lors

de l'hydrogénation, mais en réalité, il s'agit d'un courant induit par les photons

provenant du lament de tungstène. En eet, dès que le lament est arrêté, le

cou-rant redescend aussitôt. An de nous assurer que ce coucou-rant était bien un coucou-rant dû

aux photons, nous avons mesuré le courant dans le nanol (à température ambiante)

lorsque celui-ci était soumis ou non à la lumière d'une lampe halogène, et le résultat

est bien comparable (voir gure IV.14b).

Fig. IV.14 Mesures sur un nanol de 500 nm de long et 20 nm de large.

(a)Evolution du courant au cours de l'hydrogénation. (b)Evolution du courant lors

d'un éclairage fort.

Une fois l'échantillon refroidi, nous l'avons sorti du bâti pour refaire des mesures

sur l'ensemble des nanols. Ces mesures ont été faites immédiatement après la sortie

de l'échantillon du bâti. La gure IV.15 montre les résultats pour le l de 500 nm de

long et 20 nm de large suivi pendant l'hydrogénation : le courant dans le l est resté

du même ordre de grandeur qu'avant l'hydrogénation. Il en est de même pour tous

les ls mesurés de l'échantillon. L'hydrogénation ne semble donc pas avoir passiver

les défauts de surface.

Plusieurs interprétations sont possibles pour expliquer que la passivation des

défauts n'a pas eu lieu. Tout d'abord, la pression d'hydrogène utilisée est

peut-IV.5 Passivation des défauts de surface

Fig. IV.15 Mesures du courant sur un nanol de 500 nm de long et 20 nm de large

avant et après hydrogénation.

être trop faible vu la conguration du bâti. Il n'est pas évident qu'à une pression

d'hydrogène de 10

−6

Torr il y ait susamment d'ions créés pour passiver les défauts

de surface. Ensuite, même s'il y a susamment d'ions créés, ceux-ci vont aller dans

toutes les directions, et très peu arriveront sur les nanols. Il faudrait donc appliquer

un potentiel fortement négatif pour attirer ces ions H

+

.

Nous avons alors mesuré le courant électronique reçu par un morceau métallique

de molybdène de 1 cm

2

porté à 100 V et 200 V en fonction de la pression d'hydrogène

dans la chambre (gure IV.16). Nous pouvons alors remarquer qu'eectivement la

pression d'hydrogène ne devait pas être susante. En eet, le courant électronique

reçu ne varie pas tant que la pression d'hydrogène est inférieure à 5x10

−5

Torr, et

au-delà, il commence à chuter indiquant la création d'ions H

+

venant compenser les

électrons. Il faudra donc travailler avec une pression d'hydrogène plus importante

pour pouvoir passiver les défauts de surface, et appliquer une polarisation négative

pour attirer les ions H

+

vers les nanols.

Nous avons alors réalisé de nouveaux essais en changeant également la

congu-ration du montage pour le chauage de l'échantillon. En eet, le chauage par eet

joule avait une inertie importante (il fallait plusieurs heures pour atteindre 400°C)

et rayonnait dans l'enceinte provoquant une augmentation de la pression dans la

chambre. Nous avons donc choisi un chauage par rayonnement à partir d'une

am-poule halogène de 50W placée dans le bloc de cuivre. Le thermocouple a également

été remplacé par une résistance de platine plus able et le lament de tungstène a

été xé à un autre endroit sur le bâti pour éviter de devoir le sortir trop souvent,

celui-ci étant très fragile une fois qu'il a été chaué à 1500°C. La gure IV.17 montre

une photographie de ce nouveau montage.

Lors de ces expériences, la pression d'hydrogène a été xée à 5x10

−4

Torr et

comme l'oxyde du SOI mesure 145 nm et que la tension de claquage de l'oxyde

est de 1V/nm, nous avons appliqué une polarisation de -100 V sur certains ls.

Malheureusement, l'oxyde du SOI a alors claqué puisqu'un courant de plusieurs

milli-ampères a été mesuré. L'hydrogénation a donc été réalisée sans polarisation

CHAPITRE IV. CARACTÉRISATION ÉLECTRIQUE DES

NANOFILS DE SILICIUM

Fig. IV.16 Courant mesuré sur un échantillon métallique de molybdène de 1 cm

2

en fonction de la pression d'hydrogène introduite dans la chambre.

Fig. IV.17 Photographie du nouveau montage réalisé pour eectuer une

hydrogé-nation sous ultravide en mesurant en même temps le courant dans les nanols.