Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Semiconducteurs métal-oxyde“

On aborde 3 aspects : la passivation du phosphorure d'indium dans un plasma RF d'oxygène, la caractérisation électrique des structures MIS élaborées à l'aide des mesures (C-V), (G-V) et d'autres mesures de spectrométries de niveaux profonds (DLTS-DDLTS), et l'élaboration du schéma équivalent de la structure MIS

Les capteurs de gaz sont conçus pour détecter la présence ou la concentration de divers gaz dans l'atmosphère. L'oxyde de zinc est un semi-conducteur d'oxyde métallique largement utilisé pour les capteurs de gaz, en particulier pour la détection des oxydes d'azote (NO et NO2) dans l'air. Ces défis incluent la nécessité de températures de fonctionnement élevées. Les MOGs montrent souvent une faible sélectivité pour le NO et le NO2 en raison de leur sensibilité aux interférences d'autres gaz présents dans l'environnement. De plus, ils peuvent présenter une faible sensibilité lors de la détection de gaz à faibles concentrations, ce qui affecte leur efficacité dans les scénarios nécessitant des mesures précises. Un autre problème notable est le temps de réponse et de récupération relativement lent des MOGs, ce qui affecte leur réactivité en temps réel. Des préoccupations ont également été soulevées concernant la faible stabilité et la fiabilité de ces capteurs sur de longues périodes. La communauté scientifique s'attaque activement à ces défis en recherchant des moyens d'améliorer l'efficacité opérationnelle, la sélectivité, la sensibilité et la stabilité à long terme des MOGs. Ces efforts sont cruciaux pour faire progresser l'application de ces capteurs dans divers domaines, de la surveillance environnementale au diagnostic médical et à la sécurité industrielle. L'électrofilage est une technique prometteuse pour produire des structures en nanofibres, ce qui augmente la surface disponible pour l'interaction avec les gaz. Cette technique améliore la sensibilité et la sélectivité grâce à la structure spéciale des nanofibres. La morphologie des nanofibres favorise l'adsorption des molécules de gaz sur la surface, améliorant ainsi la réponse du capteur même à des concentrations de gaz plus faibles. La production de matériaux composites à base de ZnO est une stratégie prometteuse pour améliorer les performances de détection. Cette approche améliore la sensibilité et la sélectivité pour des gaz spécifiques grâce à l'effet synergique entre les composites et réduit la température de fonctionnement des MOG. Cela est réalisé en facilitant le transfert de charge et les mécanismes de détection des gaz au niveau de la jonction p-n. Les matériaux composites améliorent également la stabilité et la répétabilité des MOG en atténuant l'influence de l'humidité, de l'oxygène et d'autres gaz interférents. Malgré les diverses méthodologies employées pour améliorer les MOG, il existe encore un manque notable de recherche sur l'exploration des changements morphologiques dans les structures de nanofibres de ZnO pour la détection du NO et du NO2 et leur impact sur l'amélioration des performances des MOG. La présente étude a poursuivi deux objectifs spécifiques pour affiner les capacités de détection. Premièrement, l'enquête s'est concentrée sur le rôle de la structure des nanofibres de ZnO, en examinant spécifiquement des paramètres tels que le diamètre et l'épaisseur. L'objectif était d'améliorer la sensibilité au NO en mettant en évidence comment les variations de ces attributs structurels influencent les performances de détection. Deuxièmement, l'étude visait à réduire la température de fonctionnement des MOG. Cet objectif a été atteint en introduisant de l'oxyde de graphène réduit comme matériau composite avec le ZnO. L'objectif principal était non seulement de réduire la température de fonctionnement, mais aussi de maintenir des temps de réponse et de récupération optimaux. L'utilisation de rGO avec ZnO visait à trouver un équilibre, assurant une sensibilité accrue au NO et au NO2 sans compromettre la capacité du capteur à fournir des réponses rapides et précises. Cette approche duale vise à faire progresser les technologies de détection des gaz, en se concentrant sur l'optimisation des structures de nanofibres de ZnO et l'utilisation de matériaux composites pour améliorer les performances des MOG
Gas sensors are designed to detect the presence or concentration of various gases in the atmosphere. They are used in environmental monitoring, industrial safety, medical diagnostics, and smart home devices. Gas sensors utilize various methods to measure gas concentrations, including optical, electrochemical, catalytic, and semiconductor techniques. The shape and size of gas sensors can vary depending on factors such as the type of gas they are designed to detect, sensitivity, selectivity, and energy consumption.Zinc oxide (ZnO) is a widely used metal oxide semiconductor for gas sensors, particularly for detecting nitrogen oxides (NO and NO2) in the air.Despite decades of research, several challenges remain in detecting gases using metal oxides like ZnO. These challenges include the need for high operating temperatures (typically between 300 and 500°C) to activate the gas detection mechanism. MOGs often exhibit low selectivity for NO and NO2 due to sensitivity to interference from other gases in the environment. Additionally, they may have low sensitivity when detecting gases at low concentrations, affecting their effectiveness in scenarios requiring precise measurements. Another notable issue is the relatively slow response and recovery times of MOGs, affecting their real-time reactivity. Concerns have also been raised about the poor stability and reliability of these sensors over long periods. The scientific community is actively addressing these challenges by researching ways to improve the operational efficiency, selectivity, sensitivity, and long-term stability of MOGs. These efforts are crucial for advancing the application of these sensors in various fields, from environmental monitoring to medical diagnostics and industrial safety. Electrospinning is a promising technique for producing nanofiber structures, which enhances the surface area available for gas interaction. This technique improves sensitivity and selectivity due to the special structure of nanofibers. The morphology of nanofibers promotes gas molecule adsorption on the surface, enhancing sensor response even at lower gas concentrations. Producing ZnO-based composite materials is a promising strategy to enhance detection performance. This approach improves sensitivity and selectivity for specific gases through the synergistic effect between the composites and reduces the operating temperature of the MOG. This is achieved by facilitating charge transfer and gas detection mechanisms at the p-n junction. Composite materials also enhance the stability and repeatability of MOGs by mitigating the influence of humidity, oxygen, and other interfering gases. Despite the various methodologies employed to improve MOGs, there remains a notable research gap in exploring morphological changes in ZnO nanofiber structures for NO and NO2 detection and their impact on enhancing MOG performance. The present study pursued two specific objectives to refine detection capabilities. First, the investigation focused on the role of ZnO nanofiber structure, specifically examining parameters such as diameter and thickness. The aim was to enhance NO sensitivity by highlighting how variations in these structural attributes influence detection performance.Second, the study aimed to reduce the operating temperature of MOGs. This goal was achieved by introducing reduced graphene oxide (rGO) as a composite material alongside ZnO. The primary objective was not only to lower the operating temperature but also to maintain optimal response and recovery times. Using rGO with ZnO aimed to balance, ensuring enhanced sensitivity to NO and NO2 without compromising the sensor's ability to provide rapid and accurate responses.This dual approach aims to advance gas detection technologies, focusing on optimizing ZnO nanofiber structures and utilizing composite materials to enhance MOG performance

La recherche d’une miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs en micro- et opto- électronique a participé au développement des nanotechnologies. A l’échelle nanométrique, la densité des interfaces augmente énormément leur conférant un rôle crucial dans les performances des dispositifs. Dans cette thèse, l’intérêt a été porté sur les interactions aux interfaces entre matériaux hétérogènes lors des premiers stades de leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Chaque chapitre est dédié à l’étude d’une interface spécifique dans le cadre des recherches menées par l’équipe Hétéroépitaxie et Nanostructures de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon. Deux approches complémentaires pour l’intégration monolithique du semiconducteur III-V GaAs sur silicium ont été étudiées: les nanofils de GaAs sur Si(111) et la recherche d’une phase Zintl pour la croissance bidimensionnelle (2D) de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100). Pour ce qui concerne la croissance des nanofils de GaAs, l’étude par spectroscopie de photoémission de l’interface entre le gallium, en tant que catalyseur, et le substrat de silicium (111) recouvert de silice a montré qu’une réaction d’oxydoréduction entre les deux matériaux a lieu et est dépendante de la température pendant la croissance. Ensuite, le mécanisme d’encapsulation / désencapsulation par l’arsenic nécessaire à la protection des nanofils de GaAs lors des transferts, a été étudié structurellement en temps réel grâce à la microscopie électronique en transmission. Enfin, la croissance d'une demi-coquille métallique sur les nanofils de GaAs a été analysée in situ par diffraction et diffusion des rayons X en incidence rasante en utilisant un rayonnement synchrotron. Cette étude exploratoire a montré qu’il était possible d’obtenir une croissance partiellement épitaxiée d’or et d’aluminium sur les facettes des nanofils. Pour ce qui concerne la croissance 2D de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100), la croissance de la phase SrAl2 proposée théoriquement dans la littérature a été tentée et examinée par photoémission. Une alternative, BaGe2, permettant de mieux pallier aux problèmes d’hétérogénéité chimique a finalement été proposée
Miniaturization of micro- and opto-electronics devices has led to the development of nanotechnologies. At this scale, the density of interfaces drastically increases explaining their critical role in the device performances. In this thesis, interest has been focused on interactions at the interfaces between heterogeneous materials during their first growth stages by molecular beam epitaxy. Each chapter studies a specific interface with the objective of monolithically integrating III-V semiconductors (GaAs) on silicon substrate, which is a main goal of the INL’s Heteroepitaxy and Nanostructures team. Two complementary approaches have been considered: GaAs nanowires on Si (111) substrate and the research of a Zintl phase as a buffer layer adequate for the two-dimensional (2D) growth of GaAs on a SrTiO3 / Si (100) substrate. In the context of growing GaAs nanowires on Si(111) with gallium as catalyst, the role played by a silica overlayer has been studied by X-Ray Photoelectron Spectroscopy. It has been shown that an oxido-reduction reaction takes place at the interface, reaction which is strongly dependent on the temperature during the process. Besides, the real-time evolution of an As capping/decapping mechanism, which is needed for the protection of GaAs nanowires during transfers, has been studied thanks to electron transmission microscopy. Finally, the growth of a metal half-shell on GaAs nanowires has been investigated by in situ grazing incidence X-ray diffraction using synchrotron radiation. This exploratory study has shown that obtaining a partially epitaxial growth of gold and aluminum on nanowires facets is possible. In the context of obtaining a 2D growth of GaAs on SrTiO3/Si(100) substrate, the growth of the theoretically-suggested Zintl phase SrAl2 was tried by MBE and probed by photoemission, along with an alternative, BaGe2, which appeared more suitable for chemical reasons

Nos travaux concernent la modélisation des structures MOS affectées par des défauts qui détériorent leurs propriétés électriques et par conséquent celles des dispositifs mémoires. Nous avons attaché une grande importance à la compréhension des phénomènes liés à la miniaturisation de la capacité et du transistor MOS qui sont les composants électroniques élémentaires des mémoires. Nos modèles basés sur de nombreuses études réalisées sur ces sujets, représentent de nouveaux outils d'analyses pour créer les modèles de base décrivant le fonctionnement plus complexe des dispositifs mémoires. Après un rappel des notations et des équations de base utilisées pour les capacités MOS et les transistors MOS, nous retraçons l'évolution des dispositifs mémoires jusqu'aux mémoires à nanocristaux. Dans une deuxième partie de notre travail, nous décrivons les différentes modélisations de la capacité MOS développées en fonction de l'effet parasite considéré : la poly-désertion de la grille, la non uniformité du dopage du substrat, de l‘épaisseur d'oxyde et des charges fixes présentes dans la couche d'isolant. Nous avons ainsi pu proposer une méthode de détermination de la répartition de la charge générée dans l'oxyde par des stress électriques ainsi qu'une analyse de l'origine de ces charges. La troisième partie est consacrée aux modélisations du transistor MOS basées sur une approche segmentée. Celle-ci a été appliquée à l'étude des résistances séries et aux modélisations des dopages (grille et substrat), puis étendue à la modélisation des transistors à isolants ultra-minces. Nous présentons notamment les modifications de la caractéristique IDS(VGS,VDS) du transistor MOS induites par les non uniformités énumérées ci-dessus. Enfin, nous appliquons nos modèles aux mémoires à nanocristaux de silicium. Nous proposons une modélisation de la charge localisée dans les nodules proches du drain, ce qui nous a permis de développer un modèle simulant l'opération d'écriture de ces mémoires. Les caractérisations électriques de ces structures à piégeages discrets sont également analysées à l'aide de nos modèles.

L'échec des modèles pour prévoir l'alignement de bandes dans un empilement MOS (métal-oxyde-semiconducteur) rend utile et intéressant une étude à l'échelle atomique. Nous exposons deux théories ab initio: d'abord la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), dont dépendent les codes Abinit et Siesta utilisés pour étudier la nature quantique des matériaux ; puis la théorie de l'approximation GW qui corrige les niveaux d'énergies électroniques mal évalués avec l'approximation utilisée en DFT. Ces deux théories sont appliquées à chaque matériau composant l'empilement. Puis nous étudions la façon dont intervient le dipôle dans l'alignement de bandes. La méthode de Van de Walle et Martin est adaptée pour évaluer de façon précise ces alignements grâce à l'approximation GW. Enfin cette méthode est appliquée aux différentes interfaces oxyde/semiconducteur et métal/oxyde et montre que les alignements de bandes estimés par simulation tendent vers un accord avec les mesures expérimentales.

La faisabilite des structures mos sur films minces de polysilicium, obtenus a partir de depots chimiques en phase vapeur a basse pression, est analysee du point de vue de la qualite electrique des oxydes thermiques realises a 600c et de l'effet des conditions de depot des films sur leur cinetique d'oxydation et leur structure cristalline. Dans une premiere etape, l'etude met en relief les avantages indeniables offerts par l'emploi du disilane, au lieu du silane, comme gaz de depot, a savoir: temperature de depot plus basse, vitesse de depot plus elevee et enfin taille de grains plus grande lorsque les films sont deposes a l'etat quasi-amorphe puis cristallises a 600c. L'oxydation thermique a 600c en ambiance humide, d'abord realisee pour du silicium monocristallin <100>, nous a permis de montrer la possibilite d'obtenir par ce procede un oxyde piedestal de l'ordre de 10 nm d'epaisseur et de tres bonne qualite electrique: champs de claquage de l'ordre de 13-15 mv, barriere de potentiel chrome-oxyde de 3 ev. Concernant l'oxydation des films lpcvd de silicium, nous mettons en evidence que les meilleurs oxydes, pour lesquels les champs de claquage et les hauteurs de barriere de potentiel (metal-oxyde et oxyde-semiconducteur) sont les plus eleves, sont obtenus avec les films qui presentent simultanement la plus grosse taille de grains et le plus faible taux d'oxydation, c'est-a-dire les films deposes a 555c (300 mt) dans le cas de la filiere gazeuse silane. De plus, cette oxydation permet simultanement de realiser l'oxyde de grille et de recristalliser le film de silicium depose par lpcvd

Un montage utilisant des cuvettes et des lasers UV et bleu comme sources de lumière a été construit pour effectuer la photodéposition de nanodots métalliques (NDs) sur des nanoparticules (NPs) de TiO2 et des nano-hétérostructures de type Janus de Cu2-xS-CuInS2 en solution aqueuse et organique respectivement. Trois types de NDs métalliques différents, à savoir Au, Ag, Pd, sont introduits en surface des NPs de TiO2, et des NDs d'Au sont déposés sur Cu2-xS-CuInS2. Plusieurs techniques, dont le TEM/HRTEM, la cartographie EDS et la spectroscopie UV-vis, sont utilisées pour caractériser la taille, la morphologie et la distribution des NDs métalliques. Les nanohétérodimères (NHDs) Au-TiO2 sont synthétisés avec succès ; un rendement de NHDs Au-TiO2 proche de 100% est obtenu en gérant la concentration des NPs TiO2 et du précurseur d'or. En particulier, le mécanisme d'adsorption du méthanol et du précurseur d'or sur le TiO2 pendant la photodéposition est étudié. En comparant les données expérimentales obtenues dans des microcanaux et des cuvettes, le modèle établi décrit le processus dynamique global de la croissance des NDs d'Au sur le TiO2, de la loi de croissance en t 1/3 à l'achèvement. La taille finale des NDs d’Au peut être prédite avec précision par le modèle, en particulier la fin de la croissance. De plus, des NPs d'Ag et de Pd d'autres métaux ont été déposées sur la surface de TiO2, et des NHDs d'Ag-TiO2 et de Pd-TiO2 ont également été synthétisés. Les effets du piégeur de trous, de la puissance du laser et du temps d'exposition sur la taille et la distribution des NDs métalliques sont étudiés. De plus, la croissance des NDs d'Ag et de Pd suit le modèle proposé pour la croissance de l'Au. Le projet est étendu à la photodéposition de NDs bimétalliques cœur-coquille où Au, Ag et Pd sont introduits sur des NHDs Au-TiO2 par une seconde étape de photodéposition, formant une structure cœur-coquille à la surface des NPs TiO2. Pour le système Au@Au core@shell, la coquille d'Au peut être contrôlée avec précision en faisant varier la concentration du précurseur d'or ; la taille et l'épaisseur du cœur et de la coquille d'Au correspondent à nos attentes. Pour le système Au@Ag, la coquille d'Ag obtenue est limitée à environ 1 nm d'épaisseur, ce qui résulte de la faible électronégativité de l'Ag (1,9) par rapport à l'Au (2,4). Pour le système Au@Pd, le Pd présente une croissance non isotrope sur le cœur d'Au, ce qui entraîne une coquille de Pd non uniforme en raison de l'important décalage de réseau entre Au et Pd. Enfin, des NDs d'Au sont introduits sur des hétéro-nanorods de Cu2-xS-CuInS2 par photodéposition dans le toluène avec un laser bleu. La nucléation et la croissance des Au NDs sont étudiées et la distribution géométrique (i.e., le nombre et la distribution) des Au NDs, ainsi que leurs tailles en réglant la puissance du laser, le temps d'exposition, les piégeurs de trous et la concentration des précurseurs
Cuvette setup with UV and blue laser as light sources are built to perform photodeposition of metals nanodots (NDs) onto TiO2 nanoparticles (NPs) and Janus-typed Cu2-xS-CuInS2 nano-heterostructures in aqueous and organic solution respectively. Three different metal NDs, i.e., Au, Ag, Pd, are introduced on the surface of TiO2 NPs, and Au NDs are deposited on Cu2-xS/CuInS2. Several techniques, including TEM/HRTEM, EDS mapping, and UV-vis spectroscopy, are performed to characterize the size, morphology, and distribution of the metal NDs. Au-TiO2 nanoheterodimers (NHDs)are successfully synthesized and a close to 100% yield of Au-TiO2 NHDs is achieved by managing the concentration of TiO2 NPs and gold precursor.Especially, the adsorption mechanism of methanol and gold precursor on TiO2 during photodeposition is investigated. By comparing the experimental data obtained in microchannels and cuvette setups, the established model describes the overall dynamic process of Au ND growth on TiO2 from 1/3 growth state to completion. The final size of Au NDs can be accurately predicted by the model in particular the growth completion. In addition, other metal Ag and Pd NPs were deposited on the surface of TiO2, and Ag-TiO2 and Pd-TiO2 NHDs are also synthesized. The effects of the hole scavenger,laser power, and exposure time on the size, and distribution of metal NDs are investigated. Moreover, the growths of Ag and Pd NDs both follow the proposed model for Au growth. The project is extended to bimetallic core-shell NDs photodeposition and Au, Ag and Pd are introduced on Au-TiO2 NHDs by a second step photodeposition, forming a core-shell structure on the surface of TiO2 NPs. For the Au@Au core@shell, the Au shell can be precisely controlled by varying the gold precursor concentration and the size and thickness of the Au core and shell pretty much fit our expectations.For the Au@Ag system, the Ag shell obtained is limited to around 1 nm thickness which results from the low electronegativity of Ag (1.9) compared to other Au (2.4). For the Au@Pd system, Pd shows a non-isotropic growth on the Au core resulting in a nonuniform Pd shell due to the big lattice mismatch between Au and Pd. Finally, Au NDs are introduced onto Cu2-xS/CuInS2 heteronanorods by photodeposition in toluene with a blue laser.The nucleation and growth of Au NDs are studied and the geometric distribution (e.g., number and location) of Au NDs, as well as their sizes, can be well controlled by tuning laser power, exposure time, hole scavengers, and precursors concentration

Cette étude s'inscrit dans le cadre de la caractérisation électrique par sonde locale de dispositifs Métal-Oxyde-Semiconducteur et Métal-Isolant-Métal. L'enjeu est de comparer les caractéristiques de conduction et de rigidité diélectrique aux échelles nanométrique et macroscopique, dans le but d'évaluer ces caractéristiques sans la réalisation coûteuses de structures intégrées. Un microscope à force atomique en mode de conduction (C-AFM) fonctionnant sous ultravide a été utilisé, et un protocole expérimental couplant des mesures électriques standards de la microélectronique industrielle et les mesures à l'échelle nanométrique a été mis en oeuvre. La méthode a été appliquée aux jonctions Silicium / oxyde de Silicium ainsi que Nitrure de Titane / oxydes d'Hafnium, de Zirconium et silicate d'Hafnium. La comparaison systématique des mesures s'avère fiable si l'on considère une surface de contact entre la pointe et le diélectrique de l'ordre du nm². Il a été démontré que l'ensemble des mesures des tensions de claquage suivait la même loi de probabilité de Weibull, impliquant une densité de défauts responsables du claquage proche de la densité atomique d'un solide. Les champs électriques de claquage mesurés qui sont de deux à trois fois supérieurs aux mesures standards sont alors voisins du champ de claquage intrinsèque de l'oxyde. Le C-AFM a également permis de mettre en évidence un courant après claquage à la caractéristique non ohmique, possédant la propriété d'être quasi-indépendant de l'épaisseur d'oxyde et partiellement réversible. Ce courant inaccessible à l'échelle standard a été interprété à l'aide de deux modèles reposant sur l'hypothèse d'un courant filamentaire en accord avec nos expériences. La topographie après claquage est en accord avec une épitaxie du substrat assistée par claquage (DBIE), due à la densité de courant élevée dans le filament.

Étude de la structure des complexes organométalliques de type ML₅ d⁶ par la méthode de Hueckel généralisée. On montre comment les coordinats L stabilisent l'une des deux structures connues, pyramide à base carrée ou bipyramide trigonale distordue. Structure de quelques complexes ML3 d^8 de type tétraédrique. Analyse de la nature des surfaces de Fermi de bronzes monophosphate de tungstène ; analyse de l'origine des transitions semiconducteur-métal et métal-semiconducteur dans CsP8W8O44 et de l'origine structurale de la conductivité de type 3d de P8W12O52 par des calculs de structures de bandes.