Marc Túnica : Dopage des semi-conducteurs à base de silicium en phase diamant hexagonale

L’émergence des semi-conducteurs du groupe IV à structure diamant hexagonale (2H)  ouvre de nouvelles perspectives pour l’optoélectronique de nouvelle génération.  Contrairement à leurs homologues cubiques (3C), dont les bandes interdites indirectes  limitent l’émission optique, les polytypes 2H présentent des structures électroniques  distinctes : le 2H-Si possède un gap indirect plus faible (0.95 eV), tandis que le 2H-Ge  devient un semi-conducteur à gap pseudo-direct avec une bande interdite réduite (0.3 eV). 

De plus, les alliages 2H-Si1-XGeX permettent un ajustement continu du gap, passant d’un  caractère indirect (2H-Si) à direct (2H-Ge), et couvrent des longueurs d’onde d’émission  comprises entre 1.3 et 1.8 μm, une plage particulièrement pertinente pour les applications  technologiques. Les études de photoluminescence montrent qu’une augmentation de la  concentration de Ge déplace le minimum de la bande de conduction vers le point Γ,  conduisant à une transition directe et optiquement permise pour des concentrations en Ge  supérieures à 0.65. Ces propriétés positionnent les matériaux du groupe IV en phase 2H  comme des candidats prometteurs pour des émetteurs moyen-infrarouges compatibles  avec la technologie CMOS. Cependant, l’exploitation de leur plein potentiel requiert une  compréhension approfondie des mécanismes de dopage, de la thermodynamique des  impuretés et des interactions dopant–défaut, qui demeurent encore peu explorés. 

Cette thèse étudie l’incorporation des dopants, leur ségrégation et leurs interactions avec  les défauts étendus dans les semi-conducteurs hexagonaux à base de silicium en  s’appuyant sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Elle aborde trois  questions centrales : (i) comment la phase cristalline hexagonale modifie-t-elle le  comportement structural et électronique des impuretés de type p et n conventionnelles ?  (ii) comment des concentrations en bore au délà du limite de solubilité influencent-elles la  stabilité structurelle des alliages 2H-SiGe ? (iii) comment les dopants interagissent-ils avec  les défauts plans étendus, en particulier la faute d’empilement basale de type I₃,  omniprésente dans ces matériaux ? 

Les résultats montrent que les impuretés du groupe III sont généralement plus stables  dans la phase 2H, reflétant leur préférence pour une coordination locale tricoordonnée  intrinseque au crystal hexagonal. Les accepteurs chargés negativement présentent une  stabilité renforcée et des niveaux de transition de charge légèrement moins profonds dans  le 2H-Si que dans le 3C-Si. Les donneurs neutres ne manifestent pas de forte préférence  de phase, tandis que les donneurs chargés positivement favorisent la structure cubique,  ce qui conduit à des niveaux donneurs plus peu profonds dans le 3C-Si que dans le 2H-Si.  Ces résultats soulignent le rôle déterminant des liaisons locales et de la symétrie  cristalline dans l’énergétique des impuretés entre polytypes. 

Concernant l’hyperdopage, la thèse montre que des concentrations ultra-élevées de bore  dans les alliages 2H-SiGe n’altèrent ni la stabilité structurelle ni la stabilité  thermodynamique, même sous dopage massif. Cela confirme la faisabilité énergétique de  l’hyperdopage dans l’alliage hexagonal et suggère un potentiel de supraconductivité dans  le 2H-SiGe métastable, en analogie avec les phénomènes observés dans le 3C-Si, le Ge  et le SiGe fortement dopés. 

Enfin, l’analyse des interactions entre dopants et faute d’empilement basale I₃ révèle que  les dopants de type p, neutres ou chargés négativement, occupent préférentiellement des  sites du réseau éloignés du défaut. Cette tendance est nettement moins marquée pour les  dopants de type n, qu’ils soient neutres ou chargés positivement, ainsi que pour les  impuretés isovalentes. Ce comportement de ségrégation découle d’une interaction  complexe entre ionisation électrostatique, distorsions stériques locales et rupture de  symétrie au niveau du défaut, mettant en évidence l’importance cruciale de  l’environnement local des défauts pour la stabilité et la répartition des dopants dans le 2HSi. 

Dans son ensemble, cette thèse propose un cadre théorique rigoureux et exhaustif pour  l’étude du dopage dans les semi-conducteurs hexagonaux du groupe IV. Par des calculs  DFT systématiques, elle élucide les mécanismes d’incorporation, de ségrégation et  d’interaction dopant–défaut qui contrôlent la stabilité électronique et structurale des  impuretés dans 2H-Si, 2H-Ge et 2H-SiGe. Les résultats fournissent des repères  quantitatifs pour l’optimization de nanostructures 2H, identifient des fenêtres de dopage  pertinentes pour des applications optoélectroniques en bande-moyen infrarouge et ouvrent  des pistes expérimentales pour explorer des états collectifs, notamment la  supraconductivité, dans ces phases métastables. Au-delà d’un bilan théorique, cette étude  oriente clairement les prochaines étapes expérimentales (choix des dopants, stratégies  d’hyperdopage et ingénierie des défauts) nécessaires à la mise en œuvre de dispositifs  CMOS-compatibles basés sur le 2H-Si, le 2H-Ge et leurs alliages