Dissertations / Theses on the topic 'Silicium ion atomique'

Etude des effets de dopage par implantation de bore et de phosphore. Etude du role des defauts d'irradiation dans des couches implantees au silicium. Les couches implantees et non implantees sont cristallisees en phase solide par recuit thermique a basse temperature. Etude de la taille des grains, de la texture, de la morphologie de surface et de la conductivite electriques des couches en fonction de la concentration d'ions implantes

Etude par spectrometrie auger et spectrometrie de desorption thermique. Influence de la dose et de l'energie des ions, de la temperature d'irradiation, de la matiere du gaz et de la face cristalline. Les resultats suggerent une forte interaction entre le gaz et les degats. Proposition d'une etape determinante commune a la desorption et a la recristallisation

Ce travail de thèse porte sur l’étude du carbure de silicium, dopé avec du fer dans le but de réaliser un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante pour des applications à la spintronique. Le dopage en fer a été réalisé par implantation ionique de type multi-énergie (30 - 160 keV) à différentes fluences, conduisant à une concentration atomique constante de 2 % de 20 à 100 nm. Il a été suivi d’un recuit à haute température dans le but d’homogénéiser la concentration en dopants. Les implantations se sont déroulées à une température de 550 °C. L’optimisation des propriétés magnétiques et électroniques du SiC–Fe, de même que la compréhension des mécanismes physiques à l’origine du magnétisme induit, ont nécessité une caractérisation poussée de la microstructure des matériaux implantés. Les objectifs de ce travail ont été d’une part, de réaliser une étude à l’échelle atomique de la nanostructure en fonction des conditions d’implantations (température, fluence) et des traitements thermiques post-implantation, et d’autre part, de déterminer les propriétés magnétiques des matériaux implantés. Dans ce travail, nous avons montré par Sonde Atomique Tomographique, la présence de nanoparticules dont la taille moyenne augmente avec la température de recuit. La cartographie chimique des nanoparticules a permis de révéler l’existence de phases riches en Fe pour les échantillons recuits. L’étude magnétique (spectrométrie Mössbauer et Squid) a montré que la contribution ferromagnétique est due principalement aux nanoparticules magnétiques et/ ou aux atomes de fer magnétiques dilués dans la matrice. La corrélation entre les propriétés structurale et magnétique a permis de montrer que les atomes de fer dilués dans la matrice et substitués sur sites de silicium contribuent au signal ferromagnétique en dessous de 300 K. Nous avons donc montré dans ce travail, que la taille et la nature des phases présentes dans les nanoparticules dépendent des conditions d’implantation et des températures de recuit et qu’il est nécessaire de recuire les échantillons à haute température pour faire apparaître un ordre ferromagnétique
This PhD thesis focuses on the study of SiC, doped with Fe in order to elaborate a diluted magnetic semiconductor at room temperature for spintronic applications. The iron doping was carried out by ion implantation of multi-energy type (30-160 keV) at different fluences, leading to a 2% constant atomic concentration between 20 to 100 nm, followed by a high temperature annealing in the goal of homogenizing the dopant concentration. The implantation temperature during this process is 550 °C, in order to avoid amorphization. The optimization of the magnetic and electronic properties of SiC-Fe, as well as the understanding of the physical mechanisms at the origin of induced magnetism, require a thorough characterization of the microstructure of the implanted materials. The objectives of this work are, on the one hand, to carry out an atomic scale study of the nanostructure according to the implantation conditions (temperature, fluence) and the post-implantation annealing and the other hand, to characterize the magnetic properties of implanted materials. In this work, we have shown by atom probe tomographic, the existence of nanoparticles whose the average size increases with the annealing temperature. The chemical mapping of the nanoparticles shows the presence of the Fe-rich phases for the annealed samples. Magnetic study (Mössbauer spectrometry and Squid) shows the ferromagnetic contribution is due to the magnetic nanoparticles and/or the diluted Fe atoms in the matrix. The correlation between structural and magnetic properties allowed showing that diluted Fe atoms and substitute to Si sites contribute to the ferromagnetic contribution below 300 K. In coupling many characterization techniques in order to give a detailed description of the different studied samples, we have shown that the size and nature of the phase present in the nanoparticles depend on the implantation conditions and the annealing temperatures and consequently it is necessary to anneal our samples at high temperature to reveal ferromagnetic order

Etude de la degradation de la surface plane si(111) par implantation d'ions ar**(+) a temperature ambiante. Lorsque la dose d'ions implantes augmente, l'intensite des taches du diagramme de diffraction diminue progressivement et les marches atomiques, observees en microscopie electronique par reflexion, disparaissent. Lorsque l'energie incidente des ions ar**(+) augmente, la vitesse de degradation de la surface diminue. Apres disparition complete des marches atomiques, un recuit thermique "in situ" de quelques minutes a 575**(o)c permet de retrouver la topographie de la surface initiale. Le recuit provoque la desorption complete de l'argon implante et de retour en sites des atomes de la surface

Analyse du spectre de rayons X émis après la traversée d'une feuille de C par un faisceau d'ions de Si de 44mev. Identification des raies satellites observées à partir de résultats théoriques par la méthode de Dirac-fock multiconfigurationnelle; mise en évidence de plusieurs configurations ayant un électron m. Par analyse des spectres à partir des valeurs calculées des rapports de branchement, confirmation d'un processus de population statistique des états excités initiaux associés à une même configuration électronique. Effet de la réponse du gaz d'électrons libres de la cible sur l'énergie de la raie de résonnance.

Dans la réalisation de nouveaux composants innovants de la spintronique, de grands espoirs sont placés sur les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS). L’enjeu technologique est de développer des matériaux ayant à la fois des propriétés semi-conductrices et ferromagnétiques. Le but de ce travail est de réaliser une étude nanostructurale et magnétique détaillée du système Fe :SiC candidat prometteur pour devenir un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante. Cependant les propriétés magnétiques du matériau (6H-SiC) implanté avec des métaux de transitions (MT) dépendent fortement de sa microstructure (concentration et nature du dopant, précipitation du dopant…). Afin d’appréhender l’ensemble des propriétés nanostructurales et magnétiques, nous avons étudié le système Fe :SiC à l’échelle de l’atome en utilisant la sonde atomique tomographique (SAT) couplée à la spectrométrie Mössbauer 57Fe. Des monocristaux 6H-SiC (0001) de type p et n (~10+18/cm3) ont été multi-implantés en 56Fe et 57Fe à différentes énergies et différentes fluences conduisant à une concentration atomique de (6% et 4%) de 20 à 120 nm de la surface. Dans le cadre de ce travail, nous avons pu suivre l’effet de la nanostructure du système Fe :SiC en fonction de la concentration de fer et des températures d’implantation et de recuit. Nous avons établi de nouveaux résultats : nature et dimension des nanoparticules, évaluation précise du nombre d’atomes de fer dilué dans la matrice SiC. Les différentes contributions ferromagnétiques et paramagnétiques sont identifiées et clairement expliquées grâce au couplage de techniques expérimentales comme la SAT, la spectrométrie Mössbauer, la magnétométrie SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Nous avons réussi à déterminer des conditions optimales pour l’obtention d’un DMS à température ambiante. En effet dans les échantillons implantés 4% Fe à 380°C, plus de 90% des atomes de Fe sont dilués. Ces atomes de Fe dilués contribuent majoritairement aux propriétés ferromagnétiques mesurées par SQUID et par spectrométrie Mössbauer à 300 K. Ces différents résultats expérimentaux mettent en lumière la possibilité de réalisation d’un nouveau (DMS) à température ambiante
Great hopes are placed on diluted magnetic semiconductors (DMS) for new components of spintronics. The challenge is to develop materials with both semiconducting and ferromagnetic properties. The aim of this work is to carry out a detailed nanostructural and magnetic study of the Fe: SiC candidate promising system to become a magnetic semiconductor diluted at room temperature. However, the magnetic properties observed in (6H-SiC) implanted with transition metals (TM) depend strongly on the material microstructure (content and nature of the dopant, precipitation of the dopant, etc.). In order to understand all the nanostructural and magnetic mechanisms, we studied the Fe: SiC system at the atomic scale using atom probe tomography (APT) and Mössbauer spectrometry. p and n single crystalline 6H-SiC near (0001)-oriented samples were submitted to multi-step implantations with 56Fe and 57Fe ions at different energies and fluences leading to an iron concentration (Cat =6 and 4%) at a depth between 20 nm and 120 nm from the sample surface. In this work, we were able to follow the effect of the nanostructure of the Fe: SiC system as a function of the iron concentration and the temperatures of implantations and annealing. We have established new results: nature and size of the nanoparticles, precise evaluation of the number of iron atoms diluted in the SiC matrix. The ferromagnetic and paramagnetic contributions are identified and clearly explained by the coupling of experimental techniques such as APT, Mössbauer spectrometry, SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometry. We were able to put the material in optimal conditions for obtaining a DMS at room temperature. Indeed, the implanted samples (4% Fe) at 380°C more than 90% Fe atoms were distributed homogeneously. These Fe atoms are the main source of the ferromagnetic properties measured by SQUID and Mössbauer spectrometry at 300 K. These experimental results highlight the possibility of obtaining a new (DMS) at room temperature

Des faisceaux d'ions lourds energetiques ont ete utilises pour induire un melange atomique de films minces alternes de silicium et d'etain predeposes sur un substrat. Les techniques de caracterisation sont la spectroscopie de retrodiffusion de particules alpha, la microscopie electronique en transmission et a balayage, la spectroscopie mossbauer en electrons de conversion et les mesures electriques. Les principaux resultats sont: (i) l'irradiation ionique induit un melange des especes atomiques; (ii) la quantite d'atomes d'etain se trouvant en solution dans le reseau du silicium amorphe peut exceder jusqu'a deux ordres de grandeur la limite de solubilite de l'etain dans le silicium; (iii) dans tous les cas, une fraction des atomes d'etain se trouve sous forme de petits precipites de taille environ 6 nm; (iv) la matrice amorphe avec les precipites metalliques presente un comportement semiconducteur

L'augmentation des niveaux de dopages dans les extensions de source et de drain des transistors à effet de champ MOS est nécessaire à la miniaturisation des composants à semi-conducteurs. Les défauts créés par l'implantation ionique, technique principale de dopage des semi-conducteurs, entraînent au cours du recuit thermique l'apparition de phénomènes indésirables tels que la formation d'amas inactifs de dopants et la ségrégation de dopants aux interfaces avec des diélectriques. La sonde atomique tomographique assistée laser, technique récente, a été utilisée pour l'étude de la redistribution de l'arsenic et du bore dans le Si. Cette technique a été comparée à des techniques plus conventionnelles comme la spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) ou la microscopie électronique à transmission (MET). Nous avons étudié dans la première partie, la redistribution du bore implanté à forte dose dans le silicium avant et après recuit thermique à 740°C. Des amas de bore de tailles nanométriques encore dénommés BICs (Boron Interstitials Clusters) ont été mis en évidence dans le silicium. Parallèlement à ces amas, un ordre à courte distance a également été révélé avant et après recuit thermique par des techniques statistiques et relié à la désactivation électrique. Dans la deuxième partie, la redistribution de l'arsenic dans le silicium et sa ségrégation à l'interface Si/SiO2 ont été étudiées. Un ordre à courte distance a été mis en évidence dans les échantillons implantés et recuits (900°C) ainsi que pour des échantillons dopés par épitaxie et reliée aux mesures électriques. La ségrégation de l'arsenic à l’interface Si/SiO2, étudiée dans des conditions d'équilibre, a permis de mettre en évidence par SAT la forte accumulation d'arsenic (9% de la dose implantée) à l'interface en bon accord avec la technique de spectroscopie de fluorescence-X à incidence rasante (GI-XRF). Des mesures électriques de « Spreading Resistance Profiling » (nano-SRP) ont montré un très faible niveau d'activation de l'arsenic ségrégé
The increase of level of doping in ultra-shallow junctions of MOS field effect transistors is necessary to scaling down semiconductor based devices. The defects created by ion implantation which is the main doping technique, lead during the thermal annealing, the appearance of undesirable effects such as inactive dopant clusters formation and dopant segregation at the interfaces with dielectrics. Very few tools allow the accurate characterization of this anomalous dopant redistribution in silicon. A recent technique, laser –assisted atom probe tomography, was used in this work. This technique was compared to conventional ones such as secondary ion mass spectrometry (SIMS) and transmission electron microscopy (TEM). We studied in the first part the redistribution of boron in silicon before and after annealing (740°C). Boron interstitial clusters (BICs) were identified. In addition to these clusters, a short-range ordering has also been highlighted before and after annealing and linked to electrical deactivation. In the second part of this work, the redistribution of arsenic in silicon after thermal processes and its segregation at Si/SiO2 interface were studied. Small clusters of arsenic were found for implanted and annealed samples (900°C) and also for samples doped by epitaxy. The study of the segregation of arsenic under equilibrium conditions has put into light a high accumulation of arsenic (9% of the implanted dose) at the interface in good agreement with the Grazing Incidence X-Ray Fluorescence spectroscopy (GI-XRF). Electrical measurements performed by Spreading Resistance Profiling (nano-SRP) showed the low level of activation of segregated arsenic

Des couches de a-SiO2 déposées sur un substrat de Si ont été irradiées avec des ions lourds. L'endommagement en surface est étudié à l'aide de la Microscopie à Force Atomique (AFM). Pour des pertes d'énergie électronique supérieure à 16. 0 keV/nm, des bosses apparaissent en surface. La hauteur de ces bosses diminue quand l'épaisseur de la couche d'oxyde augmente. Les études de Spectroscopie Infrarouge montrent que le seuil d'endommagement pour le a-SiO2 est autour de 2. 0 keV/nm. Alors, il est probable que la formation de ces bosses en surface ait son origine dans le substrat de Si. Le modèle de la pointe thermique conforte l'hypothèse que la création des bosses est liée à la réponse du Si. Ce modèle indique un seuil d'endommagement de 1. 8 keV/nm (a-SiO2) et 8. 0 keV/nm (Si). L'attaque chimique après irradiation offre une possibilité technique de réaliser des trous nanométriques avec des dimensions et formes contrôlables. Il est aussi possible de déterminer le rayon de la pointe AFM.

La miniaturisation des appareils connectés (Internet des objets, IoT) s'accompagne d'une réduction de l'espace pour les systèmes de stockage de l'énergie conventionnels (piles et batteries). Pour pallier à ce problème et pouvoir étendre de larges réseaux de capteurs communicants, il est indispensable de repenser l'architecture des micro-batteries en passant par des configurations 3D tout solide en technologie Lithium-ion. L'objectif de ces travaux est de synthétiser des matériaux de batteries par des techniques de dépôt couches-minces pouvant convenir à ces architectures tridimensionnelles: le dépôt par couche atomique (ALD). La synthèse s'accompagne de techniques de caractérisations avancées des matériaux de batteries permettant de remonter aux propriétés électrochimiques et structurales des éléments de la batterie
Miniaturized sensors for Internet of Things (IoT) application is in expansion since the last 10 years. All solid-state lithium-ion battery is a promising candidate. Nevertheless, in spite of high technological readiness level, planar micro-batteries suffer from a lack of energy density meaning that it is necessary to develop new architectures to fullfill the performances requirements. 3D structures is needed for such application and this work is focused on the synthesis of positives electrodes with high storage capacity and high operating voltage by Atomic layer deposition (ALD). In the frame of this work,we will rely structurals and electrochemicals properties by differents characterisations techniques for batteries materials

L' objectif de cette étude est de quantifier la diffusion et la solubilité de I' As, du B et du Pt dans les siliciures de Ni afin de mieux comprendre leur redistribution lors de la siliciuration. Pour cela, les différents éléments ont été implantés dans des films de siliciures 5-Ni2Si et NiSi et leur diffusion et leur solubilité ont été étudiées par spectrométrie de masse d' ions secondaires (SIMS) et par sonde atomique tomographique (APT). Des coefficients de diffusion ont pu être mesurés notamment en comparant des mesures SIMS à des simulations de diffusion à deux dimensions. Des expériences d ' APT ont aussi permis d ' observer la précipitation du B au delà de sa limite de solubilité dans NiSi. La redistribution du B et du Pt lors de la siliciuration ont ensuite été caractérisées par SIMS et par APT. L' ensemble des données concernant leur diffusion et leur solubilité dans les deux siliciures a été utilisé pour interpréter ces résultats. La redistribution du B a également été comparée à des simulations de redistribution suivant un modèle simple
The objective of this study is to quantify the diffusion and solubility of As, B and Pt in Ni silicides in order to gain a better understanding of their redistribution during silicidation. Therefore, these elements were implanted in o-Ni2Si and NiSi thin films and their diffusion and solubility were studied using secondary ion mass spectroscopy (SIMS) and atom probe tomography (APT). Diffusion coefficients could be measured by comparing SIMS measurements and two dimensional diffusion simulations. APT analyses allowed to observe the precipitation of B above its solubility limit in NiSi. Then, B and Pt redistribution during silicidation were characterized by SIMS and APT. The previous data concerning their diffusion and solubility in the two silicides were used together to interpret these results. In addition, B redistribution was compared to redistribution simulations using a simple model

Afin de subvenir aux besoins énergétiques des nouvelles technologies électroniques nomades et miniatures, le développement de microdispositifs de stockage électrochimique d’énergie suffisamment performants telles que les microbatteries (MB) Li-ion est nécessaire. Pour ce faire, l’élaboration de MB Li-ion en topologie tridimensionnelle est une voie attractive qui permet le déploiement de surface spécifique tout en conservant l’empreinte surfacique initiale (de l’ordre du mm2), exacerbant ainsi la densité d’énergie délivrée par la MB. Cette solution est rendue possible grâce au développement de technique de dépôt couches minces telle que l’ALD qui est capable de réaliser des dépôts conformes. Dans le cadre de cette thèse, un électrolyte solide (Li3PO4) a été développé et optimisé de façon conforme, par ALD, sur un substrat de silicium structuré au préalable par des techniques de micro-fabrication. Une électrode positive de type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4) a également été élaborée par pulvérisation cathodique RF. Les performances ont été optimisées en fonction des paramètres de dépôt sur un substrat Si/Al2O3/Pt. Une capacité volumique de 63 µAh.cm-2.µm-1 a ainsi été mesurée pour un dépôt de 420 nm à 0,01 mbar recuit sous air à 700°C. Enfin, un prototype de cellule électrochimique en vue d’un suivi in situ/operando par DRX d’une électrode en couche mince, a été proposé
In order to address the demand on energetic needs to sustain nomad and miniaturized electronic devices, micro-devices performance for energy storage such as Li-ion microbatteries (MB) have to be improved. An attractive way to meet the required performance consists in using 3D topology increasing the specific surface while keeping the initial surface footprint (in the mm2 range) which is significantly enhancing the delivered energy density of the MB. The development of thin film technologies such as ALD enabling conformal deposition makes it possible. In the framework of this thesis, a solid electrolyte (Li3PO4) has been developed and optimized by ALD, on a 3D micro-architectured silicon substrate obtained by microfabrication techniques. A positive electrode (LiMn1.5Ni0.5O4) has also been developed and optimized as a function of the deposition parameter by RF sputtering deposition on a Si/Al2O3/Pt substrate. A volumetric capacity of 63 µAh.cm-2.µm-1 has been measured for a film of 420 nm thick obtained at 0.01 mbar and then annealed at 700°C under air atmosphere. Finally, a prototype has been proposed to realize an electrochemical cell for the purpose of in situ/operando follow-up by XRD of a thin film electrode deposited on silicon substrate

Le silicium, brique élémentaire de la microélectronique en raison grâce à la bonne maitrise de sa technologie, ne peut être utilisé directement pour toutes les applications optoélectroniques et photoniques en raison des ses propriétés physiques. L’enjeu technologique est de développer une optoélectronique et une photonique « tout silicium ». Dans le cadre de cette thèse, nous étudions une approche prometteuse permettant de contourner le problème via le dopage du matériau par des ions de terres-rares, optiquement actifs. En effet, plusieurs études ont montré que les ions de terres rares dilués dans une matrice de silice contenant des nanoparticules de silicium est un système d’intérêt particulier pouvant mener à des nouveaux dispositifs optiques. Cependant les propriétés optiques des terres rares dépendent fortement de la microstructure du matériau (nature et concentration du dopant, localisations dans la matrice hôte, nature de la matrice, …). Afin d’appréhender l’ensemble des mécanismes structuraux contrôlant la nanostructure, nous avons utilisé la sonde atomique tomographique. Deux terres rares différentes ont été étudiées (cérium et erbium). Nous avons pu mettre en évidence un mécanisme complexe de précipitation des ions de terres rares et du silicium en excès dépendant fortement des paramètres d’élaboration. Ce mécanisme de précipitation conduit parfois à la formation des nanoparticules de type « snowman ». Un modèle analytique, basé sur un bilan des énergies de surface, a été développé afin de justifier cette configuration particulière. Ces résultats nous ont permis d’expliquer l’évolution atypique des propriétés optiques obtenues par la photoluminescence
As a material of choice in the modern microelectronics, silicon has attracted increasing attention in the last decade with the aim to integrate both optoelectronic and microelectronic functionalities on a same silicon chip. Due to its physical properties, bulk silicon is a poor light emitter. The development of an efficient silicon based light emitter is therefore a challenging issue. Rare earth ions incorporated silicon nanoparticles in silica thin films have emerged as promising route to obtain light from Si-based materials. However, the light emission in such system is strongly dependent on the microstructure (nature and content of the dopant, localizations in the host matrix, nature of the matrix, etc. ). In order to understand all the structural mechanisms controlling the nanostructure, in this work, we used atom probe tomography. Two different rare earths elements were studied (cerium and erbium). We have been able to demonstrate a complex precipitation mechanism of rare earth ions and excess silicon depending strongly on the elaboration parameters. This precipitation mechanism sometimes leads to the formation of snowman-like nanoparticles. An analytical model, based on surface energies, has been developed to justify this particular configuration. These results allowed us to explain the atypical evolution of the optical properties studied by photoluminescence

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés électroniques de nanostructures par microscopie à force atomique (AFM) en ultra-vide. La première partie de ce travail a consisté à caractériser localement des nanofils de silicium par technique d'AFM conducteur. Les expériences de conduction locale sur nanofils inclinés montrent que la conduction des nanofils intrinsèques est dominée par un transport en surface, associé à la présence de résidus catalytiques métalliques. Cette conduction peut être partiellement supprimée (par désoxydation) ou exaltée (par traitement thermique). Une caractérisation qualitative du dopage de ces nanostructures est présentée, par technique de microscopie à sonde de Kelvin. La deuxième partie de la thèse a consisté à étudier le transfert de charges et les propriétés d'ionisation de nanocristaux de silicium passivés hydrogène, dopés de type n (P) ou p (B), fabriqués par dépôt plasma. L'analyse des images de microscopie à sonde de Kelvin en modulation d'amplitude sous ultra-vide montre que le transfert de charges des nanocristaux de silicium correspond à un mécanisme de compensation d'énergie, exalté par le confinement quantique. Les résultats expérimentaux fournissent une mesure de l'ouverture de la bande interdite des nanocristaux due au confinement quantique, dans la gamme 2-50 nm, en accord quantitatif avec des calculs en liaisons fortes. Ils mettent en avant la possibilité d'utiliser des nanocristaux dopés comme sources d'électrons pour réaliser un dopage sélectif contrôlé de nanostructures ou nanodispositifs, avec des densités dans les gammes de 2×10^11-10^14 cm^-2 ou 8×10^5-2×10^7 cm^-1.