Table des matières - Les Thèses de l`INSA de Lyon

THESE
Présentée devant
L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
FORMATION DOCTORALE : Dispositifs de l’Electronique Intégrée
ECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique
par
BUSSERET Christophe
Ingénieur INSA
ETUDES OPTIQUES ET ELECTRIQUES DES PROPRIETES
ELECTRONIQUES DE NANO-CRISTAUX DE SILICIUM
POUR COMPOSANTS MONO-ELECTRONIQUES.
Soutenance prévue le 12 décembre 2001 devant la Commission d’examens
Jury :
MM. GAUTIER Jacques Ingénieur CEA Rapporteur
ZIMMERMANN Jacques Directeur de recherche CNRS Rapporteur
DELERUE Christophe Chargé de recherche CNRS Examinateur
GARRIDO Blas Professeur Examinateur
SOUIFI Abdelkader Maître de conférence Directeur de thèse
GUILLOT Gérard Professeur Examinateur
BARON Thierry Chargé de recherche CNRS Invité
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de LYON

Table des matières
1
Table des matières
INTRODUCTION________________________________________________________________ 6
I LES PROPRIETES ELECTRONIQUES DES NANOSTRUCTURES DE SILICIUM___ 10
I.1 La boîte quantique ________________________________________________________ 11
I.1.1 Modélisation du silicium ________________________________________________ 11
I.1.2 Du puits à la boîte quantique à barrières de potentiel infinies ____________________ 12
I.1.2.1 Puits unidimensionnel infini __________________________________________ 13
I.1.2.2 La boîte rectangulaire à barrières infinies________________________________ 14
I.1.3 Du puits à la boîte quantique à barrières de potentiel finies______________________ 15
I.1.3.1 Puits unidimensionnel fini____________________________________________ 15
I.1.3.2 La boîte rectangulaire à barrières finies _________________________________ 17
I.1.4 Le gap d’une boîte de silicium dans son oxyde _______________________________ 18
I.1.4.1 Calcul de la bande interdite (intervention des trous)________________________ 18
I.1.4.2 Amélioration du calcul de la bande interdite _____________________________ 18
I.1.5 Effets des interactions électrostatiques______________________________________ 20
I.1.5.1 Influence d’un second électron localisé dans l’îlot (approche simplifiée) _______ 20
I.1.5.2 Influence électrostatiques (modèle complet)______________________________ 21
I.1.5.3 Influence d’une charge d’offset _______________________________________ 23
I.1.5.4 Couplage entre îlots ________________________________________________ 23
I.1.6 conclusion____________________________________________________________ 24
I.2 Propriétés et applications optiques___________________________________________ 25
I.2.1 Le confinement spatial __________________________________________________ 25
I.2.2 Densité de défauts______________________________________________________ 26
I.2.3 Les émetteurs optiques __________________________________________________ 27
I.2.3.1 Les premières DEL en silicium poreux__________________________________ 27
I.2.3.2 Des émetteurs à micro-cavité _________________________________________ 28
I.2.3.3 Des DEL au laser à nodules de silicium _________________________________ 29
I.2.4 Conclusion ___________________________________________________________ 29
I.3 Propriétés et applications à la nanoélectronique________________________________ 30
I.3.1 Le blocage de Coulomb : application au transistor à un électron (SET) ____________ 30
I.3.1.1 Approche capacitive ________________________________________________ 30
I.3.1.2 Approche qualitative________________________________________________ 32
I.3.1.3 SET métallique - SET silicium ________________________________________ 33
I.3.1.4 Conditions d'application du blocage de Coulomb__________________________ 34
I.3.1.5 Conclusion _______________________________________________________ 35
I.3.2 Les réalisations technologiques de SET _____________________________________ 36
I.3.2.1 Les SET métalliques ________________________________________________ 36
I.3.2.2 Les SET silicium___________________________________________________ 38
I.3.3 SET ou MOSFET ______________________________________________________ 40
I.3.3.1 Comparaison SET-MOSFET _________________________________________ 40
I.3.3.2 Nouvelles architectures______________________________________________ 41
I.3.3.3 Conclusion _______________________________________________________ 41
I.4 Propriétés et applications à la nanoélectronique – les mémoires et les diodes tunnel
résonantes____________________________________________________________________ 42
I.4.1 DRAM - NVM et NVRAM______________________________________________ 42
I.4.1.1 DRAM/mémoire à un électron ________________________________________ 43
I.4.1.2 MNV/mémoire à un électron _________________________________________ 44
I.4.2 Exemples de mémoire silicium à un électron _________________________________ 44

Table des matières
2
I.4.2.1 La cellule-mémoire Hitachi___________________________________________ 44
I.4.2.2 Mémoire à grille flottante granulaire ___________________________________ 45
I.4.2.3 Mémoire à grille flottante auto-alignée__________________________________ 46
I.4.2.4 Mémoires à multijonctions ___________________________________________ 47
I.4.2.5 Conclusion _______________________________________________________ 49
I.4.3 La diode tunnel résonante________________________________________________ 49
I.4.3.1 Introduction_______________________________________________________ 49
I.4.3.2 Principe __________________________________________________________ 50
I.4.3.3 Intérêt ___________________________________________________________ 50
I.4.3.4 Réalisations de DTRDB Si/SiO2 ______________________________________ 51
I.5 La réalisation des nanostructures de silicium __________________________________ 54
I.5.1 Nucléation directe d’îlots de silicium_______________________________________ 54
I.5.1.1 Processus atomistiques de surface : ____________________________________ 54
I.5.1.2 Le cas du silicium __________________________________________________ 55
I.5.2 Les îlots obtenus par précipitation de silicium à partir de SiOx___________________ 57
I.5.2.1 Dépôt de SiOx par LPCVD ou PECVD _________________________________ 57
I.5.2.2 SiOx obtenus par implantation ________________________________________ 58
I.5.3 Autres techniques de fabrication___________________________________________ 59
I.5.3.1 Le silicium poreux _________________________________________________ 59
I.5.3.2 Oxydation de fine couche de silicium amorphe ___________________________ 59
I.5.3.3 Pyrolise laser______________________________________________________ 59
I.5.3.4 Lithographie électronique - pointes AFM________________________________ 59
I.5.4 Conclusion ___________________________________________________________ 60
I.6 Conclusion du chapitre I ___________________________________________________ 61
II ETUDE OPTIQUE DES NANOSTRUCTURES DE SILICIUM_____________________ 62
II.1 Les propriétés de photoluminescence_________________________________________ 63
II.1.1 Le silicium non confiné _________________________________________________ 63
II.1.1.1 La photoluminescence_______________________________________________ 63
II.1.1.2 Le silicium massif__________________________________________________ 64
II.1.2 Effets des recuits sur les couches de SiOx____________________________________ 65
II.1.2.1 Le recuit entraîne une luminescence autour de 1,5 eV ______________________ 65
II.1.2.2 Spectres de luminescence de SiOx sur substrats de quartz ___________________ 65
II.1.2.3 Interprétations de la luminescence du SiOx non recuit ______________________ 68
II.1.2.4 Interprétations de la luminescence du SiOx recuit__________________________ 69
II.1.2.5 Conclusion _______________________________________________________ 71
II.1.3 Effets de la température de photoluminescence _______________________________ 72
II.1.3.1 Un comportement différent selon les échantillons _________________________ 72
II.1.3.2 Position du pic de PL avec la température _______________________________ 73
II.1.3.3 Intensité de PL avec la température ____________________________________ 75
II.1.4 Effets de la puissance d’excitation _________________________________________ 77
II.1.4.1 Variation de l’intensité de PL _________________________________________ 77
II.1.4.2 Décalage vers les hautes énergies ______________________________________ 81
II.1.5 Modélisations des spectres de photoluminescence_____________________________ 82
II.1.5.1 Description du modèle ______________________________________________ 82
II.1.5.2 Résultats de la modélisation __________________________________________ 83
II.1.5.3 Interprétation des résultats ___________________________________________ 85
II.1.6 Conclusion ___________________________________________________________ 86
II.2 Les propriétés d’absorption_________________________________________________ 87
II.2.1 Rappels sur les mesures d’absorption_______________________________________ 87
II.2.1.1 Manipulation______________________________________________________ 87
II.2.1.2 Détermination du coefficient d’absorption _______________________________ 88

Table des matières
3
II.2.1.3 Propriétés du coefficient d’absorption __________________________________ 89
II.2.2 Résultats et discussions sur les manipulations d’absorption______________________ 89
II.2.2.1 Résultats de manipulation____________________________________________ 89
II.2.2.2 Absorption dans le rouge et l’infra-rouge________________________________ 90
II.2.2.3 Absorption dans le visible et l’Ultra-Violet ______________________________ 91
II.2.3 Conclusion ___________________________________________________________ 93
II.3 Propriétés électro-optiques _________________________________________________ 94
II.3.1 Electroluminescence____________________________________________________ 94
II.3.1.1 Description de la manipulation ________________________________________ 94
II.3.1.2 Résultats et discussions______________________________________________ 95
II.3.2 Photocourant__________________________________________________________ 97
II.3.2.1 Description de la manipulation ________________________________________ 97
II.3.2.2 Résultats et discussions______________________________________________ 97
II.3.3 Conclusion ___________________________________________________________ 99
II.4 Conclusion du chapitre II _________________________________________________ 100
III ETUDE DU TRANSPORT DANS LES NANOSTRUCTURES DE SILICIUM________ 102
III.1 Les mécanismes de conduction _____________________________________________ 103
III.1.1 Le rôle de la matrice ___________________________________________________ 103
III.1.2 Conduction par injection Fowler-Nordheim_________________________________ 103
III.1.2.1 Définition _______________________________________________________ 104
III.1.2.2 Formulation mathématique __________________________________________ 104
III.1.2.3 Dépendance en température _________________________________________ 105
III.1.3 Conduction par effet tunnel direct ________________________________________ 105
III.1.3.1 Définition _______________________________________________________ 105
III.1.3.2 Formulation mathématique __________________________________________ 106
III.1.3.3 Dépendance en température _________________________________________ 106
III.1.4 Conduction Poole-Frenkel ______________________________________________ 106
III.1.4.1 Définition _______________________________________________________ 106
III.1.4.2 Formulation mathématique __________________________________________ 107
III.1.5 Conduction Hopping___________________________________________________ 107
III.1.5.1 Définition _______________________________________________________ 107
III.1.5.2 Formulation mathématique __________________________________________ 107
III.2 Conduction dans le SiOx __________________________________________________ 108
III.2.1 Présentation des échantillons ____________________________________________ 108
III.2.2 Etude C-V___________________________________________________________ 108
III.2.2.1 4468P01, SiOx non recuit ___________________________________________ 109
III.2.2.2 4468P04, SiOx recuit_______________________________________________ 109
III.2.3 Etude I-V ___________________________________________________________ 112
III.2.3.1 Appareillage _____________________________________________________ 112
III.2.3.2 Effet de la capacité sur la mesure du courant ____________________________ 112
III.2.3.3 Résultats expérimentaux____________________________________________ 112
III.3 Conduction à travers un plan d’îlots ________________________________________ 116
III.3.1 Présentation des échantillons ____________________________________________ 116
III.3.1.1 Description des échantillons _________________________________________ 116
III.3.1.2 Vérification de l’épaisseur d’oxyde par mesures C-V _____________________ 116
III.3.1.3 Influence des nodules sur la mesure de la capacité________________________ 117
III.3.2 Résultats expérimentaux________________________________________________ 117
III.3.2.1 Courant dans la référence sans îlots ___________________________________ 117
III.3.2.2 Courant avec les îlots ______________________________________________ 118
III.3.2.3 Variation avec la température ________________________________________ 119
III.3.3 Simulation___________________________________________________________ 120

Table des matières
4
III.3.3.1 Modélisation de la structure _________________________________________ 120
III.3.3.2 Expression des probabilités tunnel ____________________________________ 121
III.3.3.3 Expression des champs électriques____________________________________ 123
III.3.3.4 Simulation pour un plan continu de silicium ____________________________ 124
III.3.3.5 Simulation pour les capacités à îlots___________________________________ 125
III.3.4 Conclusion __________________________________________________________ 126
III.4 Effet de résonance tunnel__________________________________________________ 127
III.4.1 Introduction__________________________________________________________ 127
III.4.2 Simulation théorique___________________________________________________ 127
III.4.2.1 Résolution de l’équation de Schrödinger _______________________________ 127
III.4.2.2 Expression du courant______________________________________________ 129
III.4.2.3 Vérification du programme de calcul __________________________________ 129
III.4.2.4 Simulations pour les structures expérimentales SiO2/Si/SiO2________________ 130
III.4.3 Résultats expérimentaux________________________________________________ 131
III.4.3.1 Etude C-V de la référence___________________________________________ 131
III.4.3.2 Etude I-V de la référence ___________________________________________ 131
III.4.3.3 Echantillons avec îlots______________________________________________ 132
III.4.4 Conclusion sur les études de résonances ___________________________________ 133
III.5 Conclusion du chapitre III_________________________________________________ 134
IV LE CHARGEMENT DANS LES NANOSTRUCTURES DE SILICIUM_____________ 136
IV.1 Le chargement __________________________________________________________ 137
IV.1.1 Etudes préliminaires ___________________________________________________ 137
IV.1.1.1 Rappels théoriques sur les mesures C-V de structures MOS ________________ 137
IV.1.1.2 Méthode expérimentale de la mesure de la charge stockée dans les îlots_______ 141
IV.1.1.3 Premiers résultats de chargement _____________________________________ 142
IV.1.1.4 Une cinétique de chargement logarithmique_____________________________ 147
IV.1.2 Modélisation du chargement_____________________________________________ 148
IV.1.2.1 Expression des champs électriques pour un plan continu___________________ 148
IV.1.2.2 Expression des champs électriques pour des îlots_________________________ 150
IV.1.2.3 Expression des courants ____________________________________________ 152
IV.1.2.4 Les équations de cinétique __________________________________________ 153
IV.1.2.5 Résultats de simulation _____________________________________________ 153
IV.1.3 Le chargement des îlots précipités ________________________________________ 154
IV.1.3.1 Les structures d’études _____________________________________________ 154
IV.1.3.2 Modélisation du chargement_________________________________________ 155
IV.1.4 Conclusion __________________________________________________________ 156
IV.2 La saturation du chargement ______________________________________________ 157
IV.2.1 La saturation à fort champ électrique ______________________________________ 157
IV.2.1.1 Expérience_______________________________________________________ 157
IV.2.1.2 La saturation par le blocage de Coulomb _______________________________ 158
IV.2.1.3 La saturation par fuite à travers l’oxyde de contrôle_______________________ 158
IV.2.2 La saturation à faibles champs électriques __________________________________ 160
IV.2.2.1 Variation de la charge à saturation avec Vg _____________________________ 160
IV.2.2.2 Modélisation de la saturation par annulation du champ électrique____________ 161
IV.2.2.3 La saturation par désalignement des niveaux ____________________________ 163
IV.2.3 Conclusion __________________________________________________________ 164
IV.3 Le déchargement ________________________________________________________ 165
IV.3.1 Déchargement de nodules dans des structures capacitives______________________ 165
IV.3.1.1 Méthode d’acquisition______________________________________________ 165
IV.3.1.2 Résultats expérimentaux ____________________________________________ 167