MAD-FIZ — Maîtrise du dopage dans les nanofils semiconducteurs : cas de l'oxyde de zinc

La recherche est aujourd'hui très riche et active sur le sujet des nanofils semiconducteurs, car elle présente un intérêt considérable tant pour ses aspects fondamentaux que pour les futures générations de composants électroniques et optoélectroniques, de capteurs, de cellules solaires, et de nano-sources d'énergie. Les progrès réalisés ces dernières années sur les techniques d'élaboration et de caractérisations à l'échelle nanométrique ont permis de commencer à confronter les observations et les mesures expérimentales aux modèles théoriques. Aujourd'hui nous disposons, au sein de la communauté française, de tous les outils nécessaires à une étude approfondie sur le sujet du dopage et du transport dans les nanofils semiconducteurs. Bénéficiant de ce contexte, notre ambition est d'évaluer et de comprendre les relations complexes entre le dopage, la basse dimensionnalité, les effets de surface et les propriétés de transport. Pour cela l'on s'appuiera sur des études structurales, optiques et électriques à l'échelle nanométrique, ainsi que sur des calculs ab initio. Pour aborder cette problématique, le cas du dopage des nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) a été choisi dans ce projet, avec en particulier, le verrou technologique du dopage p dans ZnO. Le projet MAD-FIZ a pour objectif de répondre à des questions de fond concernant le transport dans les nanofils semiconducteurs, notamment la possibilité d'améliorer l'efficacité du dopage via la réduction de taille et les effets de surface développée. Six partenaires, complémentaires dans leur domaines de compétence forment le consortium : le GEMAC (Groupe d'Etude de la Matière Condensée), le GPM (Groupe de Physique des Matériaux), l'INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon), l'Institut Néel, le CEA-LETI et le CEA-DEN. MAD-FIZ doit ainsi profiter des outils et méthodes de nano-caractérisation les plus avancés, et des techniques d'élaboration des nanostructures les plus pointues. Les nanofils de ZnO seront réalisés par la technique d'épitaxie en phase vapeur par décomposition d'organométalliques (MOVPE / MOCVD), et l'on étudiera l'incorporation des dopants via plusieurs procédés : in situ (durant la croissance), ou ex situ par diffusion des impuretés dans les nanofils à partir d'une phase gazeuse ou d'un verre dopant appelé "spin on dopant (SOD)". La sonde atomique tomographique révèlera la distribution spatiale des dopants. Leurs signatures optiques informeront aussi sur l'incorporation et leurs propriétés. La technique SCM (Scanning Capacitance Microscopy) sera développée pour accéder à une mesure locale du type et de la concentration des porteurs. Des expériences de transport dans un nanofil unique seront menées, incluant des mesures I(V), C(V), DLTS (Deep Level Transient Spectrocopy), cathdoluminsecence couplée EBIC (Electron Beam Induced Current). En parallèle, les calculs ab initio fourniront des informations importantes sur la contribution et les effets de la surface, et aideront à la compréhension des phénomènes expérimentaux observés. Enfin, concernant la question fondamentale de la relation entre dopage et basse dimensionnalité, l'objectif ambitieux du projet MAD-FIZ est l'obtention des structures nanofils radiales et/ou axiales électroluminescentes, réalisées à base de jonctions p-n ZnO.