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CAS GÉNÉRAL

Qu'est–ce qu'un semiconducteur ?

Les propriétés des semiconducteurs proviennent directement de la structure des atomes qui constituent le matériau.

Un atome est en général constitué de plusieurs couches d'électrons qui se trouvent autour du noyau. La disposition de ses électrons se fait suivant un arrangement spécifique:

–d'abord les électrons de coeur qui sont très proches du noyau, ils n'interagissent que très faiblement avec les autres atomes.

–ensuite les électrons de valence situés sur la couche externe de l'atome, ils sont à l'origine des liaisons interatomiques qui forment les molécules et matériaux.

–pour finir on retrouve les électrons de conduction qui permettent la circulation du courant électrique.

Lorsque les atomes sont dans un cristal (arrangement périodique) alors les niveaux discrets vont s'apparenter à des bandes d'énergies (de valence et de conduction). L'agencement de ces bandes définit le type de matériau. ​

On peut représenter les bandes de valence et de conduction comme sur la figure 3 ci–dessous:

Figure 3: Représentation des bandes de valence et de conduction d'un semiconducteur [2]

Pour les semiconducteurs, ils se comportent comme des isolants à l'équilibre et à 0 Kelvin. La bande interdite séparant les 2 bandes est très petite. Les électrons de la bande de valence peuvent donc grâce à un dopage ou à un apport faible d'énergie, traverser ce petit gap et transformer facilement le matériau isolant en conducteur.

Plusieurs techniques sont possibles pour utiliser les semiconducteurs. On peut lui fournir un apport d'énergie thermique, un rayonnement lumineux ou encore une tension électrique.

Notons qu'il y a différents types de semiconducteurs:

– ceux qui sont dits « intrinsèques »: le matériau est dit « pur » c´est à dire sans défauts structuraux ni atomes étrangers. Notons que dans la réalité un semi conducteur n'est jamais totalement intrinsèque. Ces matériaux conduisent très peu le courant.

– ceux qui sont dits « dopés »: dans le matériau se trouve des impuretés qui vont donner des porteurs libres (électrons ou trous). On classe les matériaux dopés en 2 groupes : les dopés n (e‾ en plus dans le matériau) et les dopés p (charges positives en plus dans le matériau).

Dans notre cas, pour la fabrication du capteur nous allons uniquement nous intéresser au dopage de type n.

Le dopage type n

Le dopage d'un matériau consiste à introduire volontairement des impuretés dans un semiconducteur ultra purifié. Pour cela, il est nécessaire que la concentration des atomes étrangers non éliminés soit nettement inférieure à celle des atomes introduits. Les atomes introduits viennent se placer en position de substitution dans le réseau.

Dans le semiconducteur de la colonne IIB (Zn : Zinc), on introduit une impureté de la colonne IIIA (Ga : Gallium). Le gallium se retrouve alors ionisé positivement, il libère un électron capable de se déplacer dans la structure. Le matériau est alors dopé n.

L'OXYDE DE ZINC (ZnO)

Propriétés optoélectroniques

L'oxyde de zinc (ZnO) [3] est un matériau possédant des propriétés optoélectroniques intéressantes. Les états 2p de l'oxygène forment la bande de valence et les états 4s du zinc constituent la zone de conduction. Ces structures montrent que le ZnO est un semiconducteur à gap direct (qui peut émettre de la lumière).

Sa largeur de bande interdite fondamentale E_b est d'environ 3,33 eV à température ambiante, et est supérieure aux semiconducteurs classiques comme le silicium ou l'arséniure de gallium. Cette valeur correspond à l'énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de valence vers la bande de conduction.

Propriétés structurales

La structure du ZnO est la suivante:

Figure 4: Structure cristalline de l'oxyde de zinc (ZnO) de type wurtzite. [12]

Ce matériau se cristallise en un réseau hexagonal de type wurtzite, dans lequel les atomes d'oxygène sont disposés suivant un réseau de type hexagonal compact, et où les atomes de zinc occupent la moitié des positions interstitielles tétraèdriques ayant le même arrangement que les atomes d'oxygène.

La croissance de l'oxyde de zinc en couches minces fait apparaître des cristallites selon l'axe perpendiculaire au plan du substrat. Un exemple de la structure du ZnO en couches minces est montré ci–dessous :

Figure 5: Représentation de la structure cristalline du ZnO orientée perpendiculairement par rapport à la surface du substrat. [4]

Dans notre cas, on privilégie les couches minces de quelques nanomètres à quelques micromètres. Ces couches peuvent être élaborées par un processus chimique ou un processus physique. Dans notre cas nos échantillons de ZnO et de (Zn,Mg)O ont été fabriqués en utilisant un processus physique: l'épitaxie sous jets moléculaires.

Fabrication: épitaxie par jets moléculaires (MBE)

Dans les méthodes physiques, le matériau est élaboré par extraction de la matière. L'avantage du processus physique est qu'il peut non seulement être utilisé pour déposer des films métalliques, des composés, mais aussi des alliages, des céramiques, des semiconducteurs ou encore des polymères. Les couches obtenues sont denses, le procédé est facile à contrôler et il n'y a pas de pollution. Cette technologie est largement appliquée dans l'industrie, l'aérospatial, l'électronique, l'optique et la mécanique.

De notre côté, nous utiliserons un procédé thermique issu du processus physique qui consiste à évaporer ou à sublimer le matériau que l'on souhaite déposer sous vide en le chauffant à haute température. Le matériau évaporé est déposé sur le substrat par condensation.

On utilise ici l'épitaxie par jets moléculaire ("Molecular Beam Epitaxy" MBE).

Figure 6: Réacteur utilisé pour l'épitaxie de nos matériaux.

Figure 7: Schéma de principe du réacteur. [5]

Définition:

L'épitaxie par jets moléculaires (EJM ou MBE en anglais) est une technique de dépôt de matériaux en couches minces, utilisée notamment pour les semiconducteurs III–V, qui permet de maîtriser l'épaisseur déposée à une fraction de couche monomoléculaire près. La croissance est effectuée dans une enceinte de croissance EJM sous ultra–vide. Les matériaux épitaxiés nécessitent un contrôle d'impuretés pour limiter les contaminations (induites par le vécu du réacteur de croissance) pouvant avoir des conséquences néfastes sur les propriétés physiques des matériaux épitaxiés. Les réacteurs d'épitaxie sont donc généralement dédiés à un nombre restreint de matériaux. Ils sont constitués de différents matériaux (quartz, inox …).

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Principe:

L'échantillon est placé dans le four de croissance (Figure 7). Les sources contenant les divers éléments sont orientées vers l'échantillon et sont obstruées par des caches.

La pression dans les flux émis est assez basse pour que ceux–ci soient en régime moléculaire au sens de la théorie cinétique des gaz, c'est à dire que les atomes ou molécules des flux n'interagissent pas avant d'atteindre le substrat. Les flux sont contrôlés en régulant la température des sources. Les flux arrivant sur l'échantillon sont caractérisés par la pression équivalente de flux, mesurée par une jauge ionique. Dans les conditions de croissance standard, la pression équivalente du flux de zinc est de l'ordre de 5.10^–6 Torr. ​

Lorsque les éléments VI (ici l'oxygène) sont en excès, la croissance est contrôlée par les flux d'éléments II (Zn ou Mg). Si l'on peut négliger la désorption des éléments II (Zn ou Mg), et c'est généralement le cas, alors ces atomes sont tous incorporés à la surface. La proportion respective de Zn et de Mg dans le dépôt est déterminée par le rapport des flux incidents correspondants.

HIGHT ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT)

Le HEMT a été conçu et réalisé pour la première fois, par FUJITSU au Japon et par THOMSON en France en 1980. Une augmentation de 30% de la mobilité électronique dans ce dispositif par rapport au MEFSET, à 300 K, est observée par la première équipe. La structure de base est rappelée sur la figure suivante:

Figure 8: Structure typique du transistor HEMT à hétérojonction. [6]

L'idée de base est d'utiliser un gaz bidimensionnel d'électrons comme canal conducteur du transistor à effet de champ.

Figure 9: Structure de bande d'une hétérojonction en présence d'un potentiel de grille. [7]

Notion de gaz bidimensionnel:

On utilise le terme «gaz» car les électrons du puits quantique sont séparés des atomes donneurs et subissent peu d'interactions coulombiennes. Ce gaz est qualifié de bidimensionnel car les porteurs se déplacent librement dans le plan parallèle à l'interface mais sont confinés dans un plan perpendiculaire à l'interface du fait de la faible largeur du puits (canal de la figure des structures de bandes): quelques angströms.

Du fait de leur faible interaction avec les atomes donneurs ionisés, les électrons qui occupent les niveaux d'énergie du puits présentent une mobilité plus grande que dans un matériaux massif.

En résumé, le fonctionnement du HEMT s'appuie sur la séparation spatiale des électrons de conduction et des atomes donneurs parents ionisés et sur le transfert spatial des électrons dans un matériau avec lequel ils pourront atteindre une vitesse élevé. Ceci est obtenu avec l'hétérojonction et a été démontré pour la première fois par R. Dingle. [11]

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