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Elaboration de super-réseaux de boîtes quantiques à base de SiGe et développement de dispositifs pour l'étude de leurs propriétés thermoélectriques, Growth of SiGe-based Quantum Dot Superlattices and device developpement for the study of its thermoelectric properties

De
183 pages
Sous la direction de Laurent Montes
Thèse soutenue le 21 janvier 2011: UNIVERSITE DE GRENOBLE, Grenoble
L'utilisation de dispositifs thermoélectriques à base de films minces en SiGe est envisagée dans de nombreuses applications comme la micro-génération de puissance ou le refroidissement localisé de composants microélectroniques. Le SiGe possède en effet un net avantage en terme d'integrabilite mais souffre cependant d'un déficit en terme de performances. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la nanostructuration de ce matériau en super-réseau de boîtes quantiques (SRBQ), celle-ci devant permettre une forte augmentation de son facteur de mérite, rendue possible par une forte altération du transport thermique à l'échelle nanométrique. La réalisation, par un outil CVD de type industriel, à 750 °C, de SRBQ monocristallins lourdement dopés est présentée à partir d'analyses morphologiques (AFM), structurales (MEB, MET) et chimiques (SIMS). Des phénomènes de forts échanges Si-Ge pendant la croissance sont notamment mis en évidence et corrélés avec des mesures de conductivité thermique qui ne démontrent pas un effet significatif des boîtes sur le transport thermique. L'élaboration de structures polycristallines originales est également présentée. Enfin, la question cruciale de la détermination du facteur de mérite est abordée, notamment concernant les problèmes d'incertitudes de mesure. Une
-Thermoélectricité
-Microélectronique
-Silicium-germanium
Use of SiGe thin film thermoelectric devices is planed in many applications such as power microgeneration or local cooling of microelectronic components. One main advantage of SiGe relies on its ability to be monolithically integrated in ICs. However, SiGe is affected by a low coefficient of performance. Within the framework of this thesis, we focused on the nanostructuration of this material in the form of quantum dot superlattices (QDSL), which is expected to allow a strong increase of its figure-of-merit, by altering thermal transport at the nanometer scale. The growth of heavily doped monocrystalline QDSL in an industrial CVD tool at 750°C is presented from morphological (AFM), structural (SEM, TEM) and chemical (SIMS) analysis. Strong Si-Ge intermixing phenomenons are notably brought out and correlated with thermal conductivity measurements that do not demonstrate a significant effect of dots on thermal transport. The growth of original polycrystalline structures is also presented. Eventually, the crucial question of the figure-of-merit determination is addressed in particular with regard to the measurement uncertainty problem. One solution consisting in measuring simultaneously several electrical, thermal and thermoelectric parameters on a same sample is put forward and concretely implemented by the simultaneous fabrication of adapted test devices.
-Thermoelectricity
-Microelectronics
-Silicon-Germanium
Source: http://www.theses.fr/2011GRENT004/document
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Micro et Nano Électronique
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
David HAUSER


Thèse dirigée par Laurent MONTÈS
et co-encadrée par Marc PLISSONNIER

préparée au sein du laboratoire DTNM / LCRE (CEA-Liten)
et du laboratoire IMEP-LAHC (Minatec)
dans l'École Doctorale Électronique, Électrotechnique,
Automatique et Traitement du Signal (EEATS)

Élaboration de super-réseaux de boîtes
quantiques à base de SiGe et
développement de dispositifs pour l’étude
de leurs propriétés thermoélectriques


Thèse soutenue publiquement le 21 janvier 2011
devant le jury composé de :
M. Gérard GHIBAUDO
Directeur de Recherche au CNRS, Président
Mme Isabelle BERBEZIER
Directrice de Recherche au CNRS, Rapporteuse
M. Alain FOUCARAN
Professeur à l’Université de Montpellier II, Rapporteur
M. Ali SHAKOURI
Professeur à l’Université de Santa Cruz, Examinateur
M. Laurent MONTÈS
Maître de Conférences à Grenoble INP, Directeur de thèse
M. Marc PLISSONNIER
Ingénieur de Recherche au CEA-Liten, Co-encadrant de thèse
M. Natalio MINGO
Ingénieur de Recherche au CEA-Liten, Invité
tel-00579524, version 1 - 24 Mar 2011

tel-00579524, version 1 - 24 Mar 2011a Mamee
tel-00579524, version 1 - 24 Mar 2011tel-00579524, version 1 - 24 Mar 2011Remerciements
Le travail presente dans ce memoire est le fruit d’une collaboration entre l’ancien
1 2laboratoire LCH (CEA / DRT / Liten / DTNM) et le laboratoire IMEP-LAHC
(UMR 5130 CNRS / Universite de Grenoble / Universite de Savoie). Mes premiers re-
merciements s’adressent donc naturellement a Frederic Gaillard, ancien chef du LCH,
et a Gerard Ghibaudo, directeur de l’IMEP-LAHC, qui ont accepte de m’accueillir
dans leur laboratoire respectif. Je remercie doublement M. Ghibaudo, n connaisseur
de l’e et Seebeck, pour avoir en outre accepte de presider le jury de ma soutenance
de these.
Je tiens maintenant a exprimer toute ma gratitude envers mon directeur de these,
Laurent Montes (IMEP-LAHC), et mon co-encadrant, Marc Plissonnier (CEA / DRT
/ Liten / DTNM), pour m’avoir accorde leur con ance pendant ces trois annees et
pour avoir su repondre present, quand cela etait necessaire, malgre des emplois du
temps respectifs bien remplis. J’exprime ici egalement toute ma reconnaissance envers
Guillaume Savelli (CEA / DRT / Liten / DTNM) qui m’a consciencieusement suivi et
apporte toute son experience, tout au long de cette these. Laurent, Marc, Guillaume :
merci de m’avoir redonne con ance en moi quand celle-ci a pu me faire defaut.
3Par ailleurs, je souhaite remercier a nouveau Alain Foucaran, directeur de l’IES
4et Isabelle Berbezier de l’IM2NP d’avoir accepte d’^etre les rapporteurs du present
manuscrit. Je remercie egalement une nouvelle fois Ali Shakouri, de l’Universite de
Santa Cruz (Californie), de s’^etre deplace jusqu’a Grenoble pour participer a mon
jury de these.
5J’exprime egalement mes remerciements a Emmanuelle Rouviere, chef du LCRE ,
issu du LCH, et Julia Simon, responsable de la liere « Thermoelectricite» du LCRE,
pour le suivi et les conseils qu’elles m’ont apportes. Je veux notamment remercier
Emmanuelle pour les e orts nanciers consentis a n de mener a bien mes travaux et
Julia pour ses corrections avisees relatives aux articles que j’ai rediges.
Un tres grand merci a Natalio Mingo pour l’expertise theorique qu’il m’a apportee,
notamment au niveau de la thermique, et pour avoir accepte l’invitation qui lui a ete
1. Laboratoire des Composants Hybrides.
2. L’IMEP-LAHC est issu du regroupement, en 2007, entre l’Institut de Microelectronique, Elec-
tromagnetisme et Photonique et le LAboratoire d’Hyperfrequences et de Caracterisation.
3. Institut d’Electronique du Sud.
4. Institut Materiaux Microelectronique Nanosciences de Provence.
5. Laboratoire des Composants pour la Recuperation d’Energie.
iii
tel-00579524, version 1 - 24 Mar 2011faite de participer a mon jury de these. Et merci aussi Natalio pour l’opportunite
que tu m’a o erte d’aller visiter l’Universite de Santa Cruz. Je tiens egalement a
remercier toutes les personnes du DTNM et de l’IMEP-LAHC qui m’ont apporte
leur aide technique : Adeline, Anne-Laure, Bogdan, Caro, Cecile, Christine, Francis,
Hanako, Jacqueline, Michel, Nicolas, Pascal, Severine, Vincent, Xavier, Xin. Merci en
particulier a Christine et Pascal pour leur aide indispensable sur Mme Centura, la
capricieuse, ainsi qu’a Bogdan, Xavier et Xin pour leur aide sur M. AFM, le delicat.
Un grand merci aussi a Vincent pour m’avoir fait faire mes premiers pas en salle
blanche... et pour son style inimitable ! Je n’oublie pas Pierre-David (contrairement
a d’autres ;-)) qui m’a passe de tres nombreux echantillons au MEB : merci PiDi.
Je n’oublie pas non plus, Hanako, la specialiste mondiale du MET, qui a realise
de tres beaux cliches sur mes lms polycristallins. Je souhaite egalement remercier
l’infatigable Jean-Christophe Michel, stagiaire au LCRE, pour les e orts qu’il a fournis
sur les aspects techno et qui ont contribue a la reussite de cette these (au point d’^etre
qualie par Etienne de sauveur de ma these... mais c’est quelque peu exagere tout de
m^eme !). Je me dois egalement de remercier Jean-Paul Barnes (CEA / DRT / Leti /
D2MT), pour les nombreuses analyses SIMS de mes echantillons qu’il a realisees ainsi
que Cyril Cayron (CEA / DRT / Liten / DEHT) pour ses analyses MET et Denis
Venet (CEA / DRT / Liten / DEHT) qui a prepare les lames.
Je n’oublie pas naturellement toutes les personnes qui ont contribue, par leur
bonne humeur, a rendre cette these agreable. Commencons par ceux qui ont partage
mon bureau sur une periode plus ou moins longue : outre Guillaume S le rale^ ur (« On
n’a pas la vie facile !»), il y a Mathieu, le voleur de stylos multi-recidiviste, Chandan,
toujours prompt a sortir un bon mot (« I can give my life for science. »), Etienne
et Helene M. Speciale dedicace a Etienne pour toutes nos discussions, parfois vives,
mais pour autant constructives ! Honneur ensuite aux anciens, encore au CEA... ou
pas : Celine, Christelle, Hakim, Joel, Lionel, Manu D, Philippe C, Phong, Sophie,
Stephane, Tristan, Pascale et Pierre-David. Puis, les petits jeunes : Arthur, Audrey,
David (« Salut David, c’est David ! Oh David, ca va David ? Oui et toi David ? ») et
AHelene P. Merci beaucoup aussi a Zhao qui m’a fourni la trame LT X de ce memoire deE
these avec toutes les explications necessaires et surtout pour son sens de l’humour !
Je tiens egalement a citer ici quelques autres personnes sympathiques rencontrees
a l’IMEP-LAHC : Anne-Laure, Arnaud, Guillaume C, Loan, Louis, Remi, Tuan et
William. Et les secretaires, tellement indispensables : merci en particulier a Chahla,
Marie-Laurence et Pascale.
6Je remercie egalement mes amis d’AITAP , l’association des jeunes chercheurs
du CEA-Grenoble dont j’ai eu l’honneur d’assumer la presidence en 2009 (au grand
6. Accueil et Information des Thesards pour leur Avenir et leur Present.
tel-00579524, version 1 - 24 Mar 2011