Caractérisation ab initio des propriétés spectroscopiques des défauts dans le silicium

Le silicium a joué un rôle fondamental dans la technologie moderne des semi-conducteurs au cours des sept dernières décennies. Cependant, l'optimisation des dispositifs basés sur le silicium dépend d'une compréhension approfondie des défauts qui peuvent être introduits dans sa structure, ce qui a un impact significatif sur les performances et la fiabilité de ces dispositifs. Bien que des recherches approfondies aient été menées sur les défauts ponctuels du silicium, certains aspects demeurent encore incompris ou non résolus. Ainsi, la caractérisation des défauts dans le silicium est cruciale pour faire progresser la physique des semi-conducteurs, garantir la fiabilité des dispositifs et stimuler l'innovation dans les applications électroniques. Plusieurs techniques de caractérisation ont été développées pour élucider les propriétés spécifiques des défauts. Notamment, la spectroscopie des niveaux profonds, qui fournit des informations sur le comportement électrique des défauts, comme le nombre et la nature des niveaux profonds au sein de l'échantillon, et la spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE), qui offre des informations sur les structures atomiques et électroniques du défaut et de son environnement, sont des outils précieux pour identifier les défauts et évaluer leur impact sur les propriétés du matériau. Cependant, l'identification de structures de défaut spécifiques par des moyens spectroscopiques est souvent complexe et nécessite la combinaison de plusieurs techniques pour obtenir une image complète du défaut. Ces vingt dernières années, les efforts d'identification ont été de plus en plus soutenus par des méthodes théoriques, telles que les calculs ab initio basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), qui jouent un rôle complémentaire et crucial pour améliorer la compréhension de la physique du défaut. Cette thèse présente des modèles de structures à l'état fondamental pour plusieurs défauts dans le silicium. Contrairement à de nombreuses simulations atomistiques antérieures qui déterminent l'état fondamental à partir de résultats numériques, cette étude définit la structure à travers des considérations de symétrie, en s'appuyant sur des approches d'orbitales moléculaires et de théorie des groupes. Cette approche renforce la fiabilité du modèle et n'est pas limitée par la précision numérique des calculs DFT. Les propriétés physiques fondamentales du défaut, telles que son paysage énergétique ou sa structure électronique, sont alors établies par des calculs DFT. De plus, en incluant des approches plus raffinées basées sur la théorie des perturbations et les corrections à plusieurs corps, les paramètres RPE et les niveaux de transition de charge thermodynamiques sont calculés pour permettre une comparaison directe avec les expériences de spectroscopie. La fiabilité et la précision de cette méthodologie sont d'abord validées sur un système bien connu, le complexe phosphore-vacance, également connu sous le nom de centre E du silicium, montrant une excellente concordance avec les expériences et les méthodes théoriques précédentes pour les paramètres RPE. Ensuite, cette méthode est appliquée à divers défauts liés à l'azote dans le silicium, qui sont moins bien compris. Les paramètres spectroscopiques calculés permettent ainsi d'établir une correspondance sans équivoque entre les signaux expérimentaux disponibles et les structures de défaut, tout en fournissant des valeurs de référence pour guider les expérimentateurs dans les cas où les données ne sont pas disponibles.