Formation de nanocristaux de SiP2 dans des films minces d'oxydes de silicium SiO1.5 riches en phosphore
Résumé
Les nanocristaux à base de Si (NC-Si) insérés dans une matrice diélectrique ont fait l'objet de très nombreuses études durant ces vingt dernières années du fait de leurs propriétés électroniques et optiques originales. De nouvelles fonctionnalités peuvent être attendues s'il est possible de doper ces nanocristaux. Des études théoriques et expérimentales ont montré la possibilité de doper des NC-Si avec du bore (B) ou du phosphore (P). Toutefois, la localisation exacte des dopants et la concentration maximale possible restent encore des questions ouvertes. Dans ce travail, nous étudions les propriétés structurales et optiques de couches minces de SiO1.5 riches en phosphore. Elles sont obtenues par co-évaporation sous vide de SiO, de SiO2 et de phosphore provenant d'une cellule à décomposition de GaP. Les propriétés structurales et optiques ont été étudiées par microscopie électronique en transmission à balayage (STEM), spectroscopie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et Raman. Pour des concentrations en phosphore supérieures à 3 at.%, les caractérisations microstructurales mettent en évidence deux types de nano-objets. D'une part, nous observons la formation d'excroissances à l'interface film/substrat en épitaxie avec le substrat de Si. D'autre part, les films minces contiennent des nanoparticules quasi-sphériques de SiP2 cristallisant dans une structure orthorhombique. Leur taille croît de 15 à 35 nm lorsque la teneur en phosphore augmente de 3 à 10 at.%. L'analyse dispersive en énergie montre que les excroissances contiennent jusque 1 % de P. Par ailleurs, la stoechiométrie des nanoparticules est compatible avec le composé SiP2. La cartographie chimique obtenue par spectroscopie de perte d'énergie a permis de préciser la localisation de chaque élément présent dans nos films. Enfin, les caractérisations Raman combinées avec des calculs basés sur la fonctionnelle de la densité ont permis de donner une première caractérisation spectroscopique des nanoparticules de SiP2.