La jonction pn étudiée in operando par la microscopie d’émission des photoélectrons

Des progrès significatifs dans la compréhension des surfaces et des interfaces des matériaux pour les nouvelles technologies de l’information nécessitent des études in operando, c’est-à-dire, des analyses en présence de sollicitations externes (par exemple un champ électrique), afin d’être le plus proche possible des conditions réelles d’utilisation. La spectromicroscopie à émission des photoélectrons (PEEM) est un outil particulièrement puissant possédant une très bonne résolution spatiale et énergétique, qui permet d’effectuer une analyse complète de la chimie et de la structure électronique locale. L’équipe du LENSIS au SPEC, en collaboration avec le CEA/LETI a réalisé pour la première fois une étude PEEM in operando en fonction de la tension bias appliquée. Une tension électrique est appliquée à la jonction in-situ devant le PEEM. Les résultats ont été publiés dans la revue  » Review of Scientific Instruments« .

L’échantillon test est constitué de motifs bidimensionnels de silicium fortement dopés de type n implantés dans un substrat de silicium type p. L’énergie cinétique des photoélectrons est définie par une tension électrique U_s appliquée à l’ensemble de l’échantillon. L’optique électronique du PEEM permet de récolter les photoélectrons en fonction de leur énergie cinétique et de leur position d’émission avec une résolution spatiale de 50 nm. La tension de polarisation (bias) est appliquée à la jonction grâce au circuit illustré dans la Figure 1. La position mesurée du seuil de la photoémission ou travail de sortie indique directement la courbure de bande.

La figure ci-contre montre deux images PEEM au seuil de photoémission à deux énergies cinétiques différentes polarisé sous tension inverse. A 2,7 eV, le contrasrte observé indique que la région dopée type n émet des électrons, tandis que le substrat type p n’en émet pas. A 4 eV, c’est la région type p émet plus fortement. On observe ainsi une inversion de contraste, qui est la signature d’un décalage des bandes électroniques. Les résultats sont en excellent accord avec les études menées sur les jonctions p-n.

Pour chaque polarisation (directe, nulle et inverse), des images PEEM ont été enregistrées en fonction de l’énergie cinétique des photoélectrons. L’analyse quantitative permet de tracer la distribution spatiale du travail de sortie reportée Figure 3. Le contraste en énergie permet de visualiser le décalage des bandes et la largeur de la zone de déplétion en fonction de la polarisation

Figure 3: Cartes du travail de sortie autour de la jonction planaire Si p-n pour une polarisation (bias) (a) directe (b) nulle et (c) inverse.

Ces résultats reproduisent le comportement des bandes électroniques de la jonction p-n, illustré dans la Fig. 4, comme décrit dans les livres d’introduction à la physique des semi-conducteurs. Ils démontrent la validité de la méthodologie expérimentale et ouvre des perspectives d’analyses in operando sur une vaste gamme de matériaux et d’hétérostructures sous tension électrique. On peut imaginer des hétérostructures planaires pour le photovoltaïque, la catalyse, ou les microstructures naturelles telles que les domaines ferroélectriques pour l’électronique post-CMOS.

Barrett_SipnOperando_RSI2016 (3).pdf

Collaboration :

• SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
• IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize, France
• University Grenoble-Alpes, 38000 Grenoble, France and CEA, LETI, MINATEC Campus, 38054 Grenoble, France

Contact CEA-SPEC : Nick Barrett.