préparée à Aix-Marseille Université au sein de l’IM2NP, ISEN Yncréa Méditerranée (Toulon) (ED 352 Physique et Sciences de la Matière)

Mercredi 13 janvier à 14h00 par visio-conférence
Accéder à la soutenance en ligne 

Devant le jury composé de :  

Pr. Jean-Christophe LACROIX, Université Paris-Diderot, ITODYS (Paris) Rapporteur

Dr. Stéphane LENFANT, CNRS, IEMN (Lille) – Rapporteur

Dr. Céline FIORINI-DEBUISSCHERT, CEA Saclay (Gif-sur-Yvette) – Examinatrice

Pr. Jean-Manuel RAIMUNDO, Aix Marseille Université, CINaM (Marseille) – Examinateur

Dr. Virginie GADENNE ISEN Yncréa Méditerranée, IM2NP (Toulon) – Co-directrice de thèse

Dr. Lionel PATRONE, CNRS, ISEN Yncréa Méditerranée, IM2NP (Toulon) – Directeur de thèse

Résumé de la thèse de M. Guerboukha :

Dans le domaine de la microélectronique, en raison de la mobilité intrinsèque élevée de ses porteurs de charge, le germanium (Ge) apparaît comme un matériau alternatif prometteur pour remplacer le silicium dans la prochaine génération de transistors à haute mobilité et à haute fréquence. Cependant, contrairement au dioxyde de silicium, l’oxyde de germanium n’est ni stable ni de bonne qualité. Ainsi la préparation de couches interfaciales permettant de passiver et d’isoler le Ge est nécessaire mais reste à ce jour encore problématique.

Une voie prometteuse consiste à utiliser des monocouches moléculaires auto-assemblées (SAM) avec une constante diélectrique élevée. Dans cette perspective, au cours de ce travail nous nous sommes attachés à réaliser et caractériser de nouvelles SAMs à base d’organothiols greffés sur Ge, présentant une application potentielle comme isolants de grille. Nous avons utilisé des chaînes alkyles hydro et fluoro-carbonées (alkylthiols et alkylthiols-fluorés respectivement), et des chromophores push-pull (PP) originaux, non chargés, à base de bithiophène, spécialement synthétisés avec la motivation de réaliser des couches avec des constantes diélectriques élevées par la présence de dipôles.

Nous avons adapté et mis au point la technique de désoxydation/greffage en solution hydro-alcoolique et montré qu’elle donne de meilleurs résultats que le traitement acide plus généralement utilisé. Cette méthode nous a en effet permis d’obtenir des surfaces de Ge fonctionnalisé moins rugueuses avec des SAMs bien organisées, ce qui est prouvé par ellipsométrie, goniométrie, spectrométrie infrarouge (FTIR), et microscopie à force atomique (AFM). Les analyses par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et par FTIR démontrent l’élimination de l’oxyde de la surface du Ge ainsi fonctionnalisé. Le greffage des alkylthiols et alkylthiols-fluorés sur Ge est réalisé directement en une seule étape grâce à l’affinité du soufre avec le Ge, alors que pour la PP nous avons réalisé un greffage en deux étapes, et cela en utilisant des couches d’accroche terminées par des amines pour former une liaison amide avec le groupe carboxylique de la PP.

Une étude sur l’organisation de deux types de molécules d’accroche, cystéamine et aminothiophénol (ATP), a démontré un meilleur arrangement pour ATP. Des analyses par spectroscopie d’absorption UV-Visible ont été réalisées pour sonder les chromophores PP par la détection de leurs bandes d’absorption afin de déterminer la concentration limite permettant d’éviter une agrégation en solution. Nous avons mesuré les caractéristiques courant-tension des différentes SAMs à l’aide de contacts E-GaIn. Avec les SAMs de push-pull, nous avons pu diminuer le courant d’un facteur 105 comparé au Ge, et 104 par rapport à une SAM alkyle de douze atomes de carbone.

L’analyse statistique des caractéristiques électriques a été menée par spectroscopie de tension de transition, et corrélée avec les analyses spectroscopiques des niveaux moléculaires par spectroscopie de photoémission inverse (IPES) pour les niveaux inoccupés (LUMO), la détermination des niveaux occupés de la bande de valence par XPS (HOMO), et les calculs DFT.