Étude des propriétés électroniques et de la dynamique des charges dans diverses nanostructures semi-conductrices par la spectroscopie térahertz

Cette thèse présente les résultats de l’étude des propriétés électroniques de
\ndiverses nanostructures semi-conductrices. Le but principal est de déterminer l’influence
\ndu dopage, du désordre et des dimensions des nanostructures sur le transport
\ndes charges électroniques en utilisant des techniques de spectroscopie térahertz.
\nTrois types de nanostructures sont étudiés dans cette thèse, notamment, des nanocomposites
\nde silicium mésoporeux graphénisés, des nanofils de silicium ayant
\ndifférents niveaux de dopage, et enfin des couches polycristallines d’InGaAs.
\nL’étude des propriétés structurelles, optiques et diélectriques dans le domaine
\ndu térahertz des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés est pionnière.
\nElle met en relief la stabilité de la morphologie et le caractère diélectrique des nanocomposites.
\nLa température du dépôt de la couche graphénisée est un paramètre
\nimportant. La spectroscopie térahertz révèle que l’augmentation de la température
\nde dépôt augmente l’indice de réfraction, diminue la porosité et induit la formation
\ndes états de surface aux interfaces Si/graphène. Par ailleurs, des mesures de photoluminescence
\nindiquent que ces états de surface sont en partie responsables de la
\nrecombinaison non-radiative des photoporteurs. L’étude de la dynamique des photoporteurs par la spectroscopie pompe-optique
\nsonde-térahertz montre que les états de surface aux interfaces Si/graphène se comportent
\ncomme des pièges de photoporteurs. La capture des photoporteurs s’effectue
\nde 2 à 4 ps après l’excitation des nanocomposites graphénisés et est suivie de la
\nrecombinaison des photoporteurs dans les états des pièges pendant typiquement
\n25 ps. Les temps de capture et de recombinaison observés pour les nanocomposites
\nsont considérablement plus petits que les temps de 74 ps et 730 ps dans la
\nmembrane libre de silicium mésoporeux en raison de la forte densité des pièges.
\nLe transport de charges est affecté par une barrière de potentiel qui tend à confiner
\nles photoporteurs dans le volume des nanocristallites de silicium. Cette barrière de
\npotentiel est corrélée à la densité de pièges chargés. La mobilité effective dans les
\nnanocomposites est la même que celle de la membrane libre de silicium mésoporeux
\nmalgré l’augmentation de la localisation des porteurs avec la température. Les travaux portant sur les nanofils de silicium crûs sur substrat de silicium
\nrévèlent une contribution très importante des porteurs crées dans le substrat à
\nla dynamique générale ayant des temps vie de quelques nanosecondes pour des
\nexcitations à 400 nm et d’une dizaine de nanosecondes pour des excitations à 800
\nnm. Le transfert des nanofils sur une membrane d’acétate permet d’observer la
\ndynamique des charges propres aux nanofils. Nos résultats démontrent que pour
\nces derniers échantillons, le temps de vie des photoporteurs diminue avec le dopage,
\ntypiquement de 100 ps dans des nanofils non-dopés, à typiquement 25 ps dans
\nles échantillons dopés à 5 × 1019 cm−3. L’étude de l’influence de la fluence laser
\nsur le temps de vie révèle que la chute du temps de vie avec le niveau de dopage
\nrésulte principalement d’une augmentation de la densité de pièges de surface avec
\nle niveau du dopage. Toutefois, ces temps de vie relativement grands montrent une
\namélioration dans la passivation de surface des nanofils de silicium par rapport à
\nceux étudiés lors de travaux antérieurs.
\nDes études précédentes montrent que l’implantation en ions Fe à hautes énergies
\nd’une couche d’InGaAs cristalline amorphise la couche et augmente considérablement
\nsa résistivité au-delà de 1000 Ω.cm. Dans cette thèse, la dynamique des
\nphotoporteurs est décrite selon un modèle physique de capture de photoélectrons
\npar des pièges profonds créés durant l’implantation, suivie de leur recombinaison
\navec des trous en excès dans ces pièges chargés. Le temps de vie des photoporteurs
\naugmente de 0,7 ps à 7 ps tandis que la densité de pièges diminue pour des températures
\nde recuit dans l’intervalle de température allant de 300∘C à 700∘C. L’étude
\nde la photoconductivité révèle l’impact de la localisation des charges par les défauts
\naux interfaces des grains et aussi par la taille de ces derniers. La mobilité effective
\ndéduite de l’analyse des courbes de photoconductivité est d’environ 2750 cm2/(V.s). D’un point de vue global, les résultats de la présente étude montrent que l’ingénierie
\ndes défauts d’interface dans les nanostructures semi-conductrices est d’intérêt
\ntant pour la fabrication de matériaux photoconducteurs ultra-rapides que pour le
\ndéveloppement de matériaux optoélectroniques.

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