Procédés par faisceaux d’ions & photons

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L’implantation ionique consiste à bombarder un matériau cible par des ions accélérés à forte énergie. Technologie de base en micro-électronique pour le dopage localisé des semi-conducteurs (par exemple pour la fabrication des jonctions P/N), l’implantation ionique permet également l’introduction d’autres espèces chimiques dans des substrats divers, rendant possible la synthèse de nouveaux matériaux. A plus haute énergie, les faisceaux d'ions sont également utilisés pour induire des modifications structurales ou développer des techniques d'analyse physico-chimiques.


Synthèse ionique :
Les sujets abordés dans cette thématique, aux applications variées, exploitent donc la flexibilité de l'implantation ionique, liée au caractère fortement hors équilibre des mécanismes mis en jeu et s'appuient sur la disponibilité d’une plate-forme de faisceaux d’ions couvrant une grande gamme d’énergies (15 keV à 4 MeV). Nous visons le développement d'approches originales, directement transférables en milieu industriel, de fabrication de nanostructures potentiellement exploitables dans de futurs composants (opto)-électroniques, et tout particulièrement des cellules photovoltaïques de 3ème génération (en lien étroit avec le thème 1) et de graphène. Des travaux sont également menés sur le dopage de divers semi-conducteurs par implantation et recuit, et le développement des modèles de simulation technologique correspondants.

  • Croissance contrôlée de nanocristaux semi-conducteurs :

-Dopage de nanocristaux par co-implantation : Malgré son intérêt pour la réalisation des dispositifs électroniques, le dopage des nanocristaux (nc) s'avère une tâche technologiquement difficile, à cause de leurs dimensions nanométriques. Nous étudions le dopage des nc simultanément à leur croissance, en co-implantant le silicium (et/ou le germanium) et le dopant à forte dose dans une matrice d'oxyde de silicium (ou un autre diélectrique). L'influence des conditions d'implantation et de recuit sur les propriétés optiques et électroniques des nc est étudiée dans le détail, pour les différents dopants usuels (As, P et B). Cette étude est menée en collaboration avec le thème 1 pour ses applications potentielles dans les cellules tandem.
-Intégration de fonctions optoélectroniques compatibles silicium : Nous étudions la synthèse, par co-implantation ionique des éléments III et V et recuits thermiques ultérieurs, de nc d'alliages III-V enfouis dans le silicium ou dans des diélectriques SiOxNy, ainsi que les performances de dispositifs intégrant de tels nc. Des premiers résultats existent dans la littérature, démontrant la possibilité de réaliser des nc III-V binaires par implantation ionique et recuits, dans Si ou SiO2. Toutefois ces études sont parcellaires et la formation de nc plus complexes (ternaires, voire quaternaires) n'a jamais été investiguée. La possibilité de jouer sur les compositions des alliages offre pourtant un degré de liberté pour espérer contrôler indépendamment la largeur de la bande interdite et le paramètre de maille du cristal (donc la cohérence du nc avec son environnement). Les applications visées sont la réalisation de composants optoélectroniques compatibles Si et des cellules photovoltaïques de 3ème génération.

  • Films de graphène obtenus par implantation et diffusion haute température de carbone dans des matrices métalliques :

Nous étudions dans le détail une voie d’élaboration originale du graphène utilisant la technologie mature de l’implantation d’ions. L'approche envisagée, dont la faisabilité a déjà été démontrée, utilise la ségrégation du carbone introduit par implantation ionique dans des matrices métalliques diffusantes (Ni, Cu, Ru). Après ou pendant l’implantation, suivant la température, le carbone diffuse vers la surface ou l’interface entre le film et le substrat. Cette nouvelle méthode de préparation du graphène possède de nombreux avantages sur la méthode CVD actuellement utilisée tels que : i) contrôle précis et uniforme de la dose de carbone implanté; ii) dopage possible par co-implantation; iii) croissance sélective à l’interface métal/substrat en jouant sur l’énergie des ions et sur le coefficient de diffusion du carbone dans le métal; iv) intégration possible à terme dans des dispositifs électroniques, cette technique reposant sur un procédé compatible avec ceux de la micro-électronique (collaboration avec le LPICM).


Modifications structurales et analyses :
Nous apportons notre contribution à divers projets nécessitant les technologies et analyses par faisceaux d'ions. On peut citer par exemple :

  • Caractérisation de la contamination métallique dans des plaquettes de silicium pour le photovoltaïque obtenues par un nouveau procédé de moulage (ANR HABISOL "MOSAIQUE", collaboration avec le CEA-Ines).
  • Exfoliation de diamant monocristallin pour la fabrication de substrats de grande surface en vue de la réalisation de détecteurs de particules (ANR Blanc MONODIAM-HE, collaboration avec l'IPHC-DRS).
  • Modification des propriétés magnétiques de composés hybrides de nanoparticules ferromagnétiques insérées dans des nanotubes de carbone par interaction avec des ions (FP7 Belera, OTAN)