Moduler l'ordre cristallin du silicium: vers de nouveaux semi-conducteurs

Une collaboration impliquant l'Iramis-Cimap et la Direction des énergies du CEA montre qu'il est possible de modifier de manière contrôlée l'ordre cristallin du silicium, en combinant une irradiation par faisceaux d'ions basse et haute énergies. Une nouvelle piste pour façonner des semi-conducteurs !


L'irradiation de matériaux par faisceau d'ions accélérés est largement utilisée pour élaborer des nanostructures et doper des semi-conducteurs.

À très basse énergie, les faisceaux d'ions de la FIB (Focused Ion Beam) permettent de pulvériser la matière. Jusqu'à quelques MeV, les ions perdent leur énergie par collision avec les atomes de la cible, provoquant la formation de lacunes, d'atomes interstitiels ou de cascades de déplacements atomiques. Au-dessus de 30 MeV, ils peuvent former des traces latentes le long du parcours du faisceau (jusqu'à plusieurs microns), créer du désordre dans le cristal qui devient localement amorphe et entraîner des transitions de phase.

Ces effets, très différents suivant le flux des ions, leur énergie et le matériau irradié, peuvent être combinés afin d'obtenir de nouveaux procédés de fabrication à façon des semi-conducteurs. Dans cette optique, les chercheurs du Cimap ont étudié - dans diverses configurations permises par l'installation Jannus au CEA, à Saclay - les effets combinés d'une irradiation à basse et haute énergies du silicium.

Ils montrent que le degré d'amorphisation du silicium et la profondeur de la couche altérée dépendent fortement du rapport des intensités des deux types de faisceaux d'ions. À l'instar d'un recuit, les ions de haute énergie réduisent fortement, par excitation électronique, les dommages balistiques causés par les ions de basse énergie. Une bonne "cristallinité" est à nouveau observée quand le flux du faisceau haute énergie est supérieur à celui du faisceau basse énergie. Ces résultats prouvent qu'il est possible de moduler ainsi l'amorphisation ou la "cristallinité" du silicium sur des épaisseurs contrôlées.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Cimap), à Caen, la Direction des énergies du CEA et le Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab) d'Orsay.

Références:
Ionization-induced annealing in silicon upon dual-beam irradiation, Journal of Materials Science