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Mesure des propriétés électriques d’un défaut unique à l’échelle d’un atome à la surface d’un semi-conducteur.

2 février 2008

Semiconducteur , Microscopie

Les matériaux semi-conducteurs sont à la base de la majorité des composants électroniques actuels et sont au coeur du développement des nanotechnologies. Les semi-conducteurs massifs ont fait l’objet de très nombreuses études dans le passé et leurs propriétés sont maintenant bien comprises, en particulier dans le cas des semi-conducteurs usuels de la microélectronique tels que le silicium. Alors que reste-t-il à découvrir sur ces matériaux ?

Les semi-conducteurs se présentent la plupart du temps sous forme de cristaux dans lesquels les atomes forment une structure parfaitement ordonnée, mais leurs propriétés électriques et optoélectroniques sont en grande partie gouvernées par la présence plus ou moins importante de défauts dans le matériau. En effet, ces défauts peuvent piéger des électrons, ou à l’inverse en émettre, suivant une dynamique qui varie de manière considérable en fonction de la nature des défauts. Traditionnellement, les processus de capture et d’émission d’électrons par des défauts ont été étudiés par des mesures électriques. On obtient alors des informations moyennées sur un très grand nombre de défauts, par exemple 1015 par centimètre cube de matériau, et il n’est pas possible d’en déduire les propriétés d’un défaut particulier, ou de savoir si ces propriétés fluctuent d’un défaut à un autre. Ces fluctuations ont peu d’influence sur les propriétés électriques d’un semi-conducteur massif, mais elles deviennent importantes dans le cas d’objets semi-conducteurs de dimensions nanométriques, les nanostructures. Par exemple, quelques défauts peuvent modifier considérablement la résistance électrique d’un fil de diamètre nanométrique.

Une équipe de physique de l’IEMN est parvenue à caractériser un défaut unique à la surface d’un cristal de silicium. Ce travail est basé sur l’utilisation d’un microscope à effet tunnel, instrument qui a permis non seulement de visualiser la surface avec une résolution atomique, mais aussi de détecter la présence de défauts à l’échelle d’un atome, et de mesurer leurs propriétés électriques individuelles en y injectant un courant électrique. Le courant mesuré, autour de 15 nA (ce qui correspond au passage de 1011 électrons par seconde au travers d’un seul défaut), varie d’un défaut à un autre, démontrant que les propriétés électriques du défaut dépendent non seulement de sa nature mais également de son environnement local (Science à paraître….). Cette technique ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre avec quelle efficacité certains objets quantiques tels que des boîtes quantiques semi-conductrices ou les défauts dans les nanotubes de carbone sont susceptibles de capturer des porteurs de charge. Autre apport du travail : à chaque fois qu’un électron est injecté dans le défaut, l’atome se met à vibrer et il est possible de mesurer ses vibrations (Phys. Rev. Lett. 97, 206801 (2006)).


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Figure 1 :
Observation par microscopie à effet tunnel des atomes à la surface d’un cristal de silicium. L’atome au contraste vert correspond à un défaut. La mesure du courant montre qu’il est possible de faire passer une densité de courant maximale de 1500000 A.cm-2 par l’état quantique du défaut.

En savoir plus

Probing the Carrier Capture Rate of a Single Quantum Level, M. Berthe, R. Stiufiuc, B. Grandidier, C. Delerue, D. Stiévenard, Science, 13 décembre 2007

Les auteurs

Maxime Berthe (post-doctorant CNRS), R. Stiufiuc, Bruno Grandidier (chercheur CNRS), Christophe Delerue (chercheur CNRS), Didier Stiévenard (chercheur CNRS)

Contact

Bruno GRANDIDIER , Chargé de Recherche CNRS, bruno.grandidier isen.fr
Carole BROUX , Chargée des ressources humaines & de la communication, carole.broux iemn.univ-lille1.fr

Contact département

Jean-Michel Courty, jean-michel.courty cnrs-dir.fr
Karine Penalba, karine.penalba cnrs-dir.fr

Informations complémentaires

Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Unité Mixte de Recherche 8520 :

Site du laboratoire : http://www.iemn.univ-lille1.fr/
Page de l’équipe de recherche : http://www.isen.fr/recherche/STM/