De nombreux composants électroniques mettent à profit les propriétés de conduction électrique des semiconducteurs. Dans cet exposé nous rappelons les mécanismes de liaisons interatomiques et les niveaux d’énergie entre la conduction et la valence. Ceci permet de décrire les propriétés des semiconducteurs intrinsèques vis-à-vis des isolants et des conducteurs dans le mécanisme de recombinaison entre électrons libres et trous au sein des réseaux cristallins. L’influence de la température et celle de la concentration des impuretés sur la résistivité électrique seront également abordées.

Dans ces matériaux semiconducteurs, deux dopages sont possibles : dopage type N, si des électrons supplémentaires sont introduits dans le semiconducteur ; et type P, si des charges positives (défauts d’électrons) apparaissent. Dans ces deux cas, les semiconducteurs sont dit extrinsèques.

Ces deux types de semiconducteurs sont assemblés, la jonction PN ainsi constituée commence par un processus de diffusion qui instaure un champ électrique. La polarisation de cette jonction par une source de tension extérieure montre un comportement dissymétrique qui est à l’origine de la première application des semiconducteurs dopés.

 

Dans cette intervention, nous allons exposer les techniques de fabrication et de dopage des couches minces de matériaux semi-conducteurs (<0,5mm) comme l’épitaxie, la pulvérisation cathodique, la diffusion… et le dopage in situ. Ces techniques parmi d’autres utilisées actuellement dans les laboratoires de microélectroniques sont indispensables de les connaître, afin de bien comprendre, d’une part, le fonctionnement des composants électroniques à base de matériaux semi-conducteurs, et avoir d’autre part une idée sur toutes les techniques de mesures faites sur une couche mince semi-conductrice avant d’être intégrée dans un composant électronique.

La diode est une composante maîtresse dans le domaine de l’électronique ; conventionnellement elle est obtenue lors d’une jonction de deux morceaux d’un même semiconducteur dopé différemment. Quand à elle la diode Schottky est une révolution dans ce domaine, inventée en 1914 par le physicien allemand Walter Hermann Schottky (1886 - 1976), par la simplicité de son élaboration : le simple contact d’un métal avec un semiconducteur peut donner lieu à un contact rectifiant. Plus encore c’est une diode qui a un seuil de tension directe très bas et un temps de commutation très court ; ce qui lui confère de larges applications allant du redressement et de la stabilisation de tension aux domaines de détection des signaux HF, faibles et hyperfréquences.

Au cours de ces vingt dernières années, les chercheurs ont réussi à maîtriser la structure de la matière en passant de l’échelle du micromètre à l'échelle du nanomètre, en particulier pour les besoins de l’électronique et l’optoélectronique. A cette échelle, les propriétés physiques de la matière sont très différentes de celles qui sont observables dans notre monde macroscopique et sont gouvernées, pour l'essentiel, par la mécanique quantique. Les semiconducteurs constituent une famille de matériaux particulièrement intéressants pour fabriquer des nanostructures et exploiter leurs propriétés originales.

Les «nanostructures semiconductrices» nous ouvrent des perspectives d'application originales et importantes, grâce à leurs propriétés électroniques et optoélectroniques très particulières. En effet, nous utilisons tous au quotidien des composants nanométriques, souvent sans le savoir. A titre d'exemple, lorsque nous écoutons notre lecteur de disque compact, nous utilisons un laser semiconducteur « à puits quantique » pour lire l'information stockée sur le disque. Ce composant est constitué par un empilement de couches semiconductrices, qui comporte notamment une couche très fine, le puits quantique, dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques nanomètres.

Dans cet exposé, après un rappel simple et bref d’une structure à base de semiconducteurs, nous décrirons les effets quantiques de base attendus pour ces structures de taille nanométrique. Nous présenterons ensuite les techniques de fabrication et d’élaboration à cette échelle avant d’achever par quelques exemples qui illustrent les propriétés et les applications des nanostructures semiconductrices.

 

Les effets résultants de la présence d’une surface ou d’une interface dans les composés semi-conducteurs sont très importants car ils modifient le comportement physique d’un matériau, surtout quant la taille du système devient microscopique, de quelques dizaines à quelques milliers d’atomes pour les agrégats, d’une monocouche à quelques couches atomiques pour les films minces. Les propriétés de ces systèmes ultrafins sont souvent très différentes de celles des matériaux correspondant dans l’état massif et parfois perturbées par la présence des défauts au niveau d’interfaces. L’étude des surfaces et d’interfaces s’est spectaculairement développée depuis les années 1970 en relation avec de nombreuses applications dans le domaine de nanotechnologie. Sur le plan expérimental, beaucoup de nouvelles techniques ont été développées dans le but unique d’étudier les effets de surfaces et d’interfaces. Sur le plan théorique, il y a également beaucoup d’efforts pour comprendre les données expérimentales et prédire de nouveaux phénomènes.

 

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