Synthèse de nanocristaux par plasma froid et leur rôle dans la croissance de couches minces de silicium microcristallin : application aux transistors / Yassine Djeridane ; sous la direction de Pere Roca I Cabarrocas

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Plasmas froids

Roca i Cabarrocas, Pere (1959-.... ; chercheur en énergétique) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Boufendi, Laïfa (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Kleider, Jean-Paul (1962-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Templier, François (Membre du jury / opponent)

Mohammed-Brahim, Tayeb (Président du jury de soutenance / praeses)

Chabert, Pascal (Membre du jury / opponent)

Vanderhaghen, Régis (Membre du jury / opponent)

École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

Résumé / Abstract : Cette thèse est dédiée à l'étude du dépôt de couches minces de silicium microcristallin (µc­Si: H,F) à partir de la dissociation de mélanges SiF4-Ar-H2 dans une décharge radiofréquence. En particulier, nous nous sommes intéressés à l'application de ce matériau aux transistors en couches minces (TFTs) utilisés dans les écrans plats à matrice active. L'objectif principal a été de réaliser des TFTs à base de µc-Si:H,F à basse température (200°C) avec des propriétés électriques supérieures à celle du matériau couramment employé: le silicium amorphe hydrogéné ( a-Si H). L'étude à été axée sur la contribution de nanocristaux produits dans le plasma dans l'obtention d'une couche complètement cristalline à faible épaisseur. En plus, la génération de nanocristaux dans le plasma et leur effet sur les propriétés optiques et électriques de la décharge s'est avéré utile pour optimiser la fenêtre de dépôt. L'autre axe de l'étude a consisté à mettre en évidence la synergie entre l'hydrogène atomique de la couche et les ions Ar+ du plasma dans la cristallisation en volume. Ces recherches nous ont permis d'obtenir un matériau complètement cristallisé pour une épaisseur de 50 nm. L'incorporation de ce matériau dans une structure TFT avec grille en-dessous a conduit à une mobilité de 74 cm²N.s pour les meilleurs dispositifs. Motivés par le transfert industriel du procédé, et sur la base des études plasma, nous avons pu augmenter la vitesse de dépôt jusqu'à 5Å/s. Qui plus est, nous avons démontré la faisabilité d'un TFT de type P avec une mobilité de 1.3 cm²/ V.s, ce qui permet d'envisager la fabrication de circuits CMOS à base de silicium microcristallin.

Résumé / Abstract : This thesis is dedicated to the study of the growth of µc-Si:H,F thin films from the dissociation of SiF4-Ar-H2 gas mixtures in a RF glow discharge. In particular, we have focused on the application of this material to the realisation of thin film transistors (TFTs) used in active matrix displays. The main objective was the elaboration of µc-Si:H,F TFTs at low temperature (200°) with improved electrical properties with respect to these Qf a-Si:H TFTs. Our research has focused on the contribution of silicon nanocristals synthesized in the plasma to film growth. W e have shown that the generc:ition of silicon nanocrystals and their effect on the optical and electrical properties of the discharge provides an excellent tool for the optimization of the deposition conditions. Moreover we have demonstrated a strong synergy between Ar ion bombardment and the atomic hydrogen of the film, which accounts for the crystallization in bulk of the· film. These studies allowed us to produce full y crystallized films as thin as 50 nm. The use of these films in bottom gate TFTs has resulted in record values of the mobility (74cm²N.s). Moreover, motivated by the industrial application of our results, and on the basis of the plasma and growth studies, we have been able to increase the deposition rate up to 5Å/s. Last but not least, we have demonstrated the feasibility of P type TFTs with mobility values up to 1.3cm²/V.s, which opens the way to the production of CMOS circuits based on µc-Si:H.