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  1. 1. Sakura Nishino Takeda, * Naoto Higashi, et Hiroshi Daimon Faculté des Sciences des Matériaux, Nara Institute of Science and Technology, Nara 630-0192, Japon Reçu le 28 Avril 2010; publié le 29 Juillet 2010.
  2. 2. Cet article traite l'effet: A. De la concentration des porteurs de surface, des niveaux quantiques; B. Des masses effectives, dans le plan des sous-bandes de Si 111, des couches d'inversion de type P. I.1. Sujet:
  3. 3. I.2. Démarche: 1. Deux couches d'inversion, ayant des concentrations de support de surface différentes, ont résulté des structures de surfaces métalliques; 2. La dispersion des sous-bandes a été mesurée par spectroscopie de la résolution angulaire d’un photoélectron.
  4. 4. I.3. Résultats: • Les niveaux d'énergie des sous-bandes observées à k = 0,0 Å-1, sont partiellement en accord avec les résultats du calcul suivant l'approximation triangulaire; • Les masses effectives ne sont pas significativement affectées par la concentration de porteurs de surface. • L'extension spatiale des fonctions d'onde de sous- bande est discutée.
  5. 5. II.1. Définition: Un transistor à effet de champ à grille isolée plus couramment nommé MOSFET est un type de transistor à effet de champ. Comme tous les transistors, le MOSFET module le courant qui le traverse à l'aide d'un signal appliqué sur son électrode centrale nommée grille. Il trouve ses applications dans les circuits intégrés numériques, ainsi que dans l'électronique de puissance.
  6. 6. II.2. Genres: MOSFET à enrichissement MOSFET à appauvrissement non conduction en absence de polarisation forte capacité d'intégration fabrication plus aisée Présence d’un canal conducteur en absence de polarisation de grille
  7. 7. Type P Type N enrichissement appauvrissement Légende: D: Drain - S: Source - G: Grille II.3. Caractéristiques: • Le transistor est caractérisé par la charge de ses porteurs majoritaires, qui détermine s'il est de type P ou N. • Les symboles du MOSFET permettent de différencier son type et sa catégorie. • Les lettres sur les trois électrodes correspondent à grille, drain et source. Contrairement au transistor bipolaire, le MOSFET fait appel à un seul type de porteurs de charge, il est donc unipolaire.
  8. 8. II.4. Principe de fonctionnement: • Lorsque la différence de potentiel entre la grille et le substrat (couche semi-conductrice) est nulle il ne se passe rien. • Lorsque cette différence augmente, les charges libres dans le semi- conducteur sont repoussées de la jonction, créant tout d'abord une zone d’appauvrissement, puis une zone d'inversion. • La zone d'inversion est donc une zone où le type de porteurs de charges est opposé à celui du reste du substrat, créant ainsi un canal de conduction.
  9. 9. Dans l’article... La couche d’inversion du transistor MOSFET est de l’ordre du nanomètre. L’effet de confinement quantique le long de sa profondeur, pousse son état électronique à former des sous-bandes d’énergie de deux dimensions.
  10. 10. C’est dans le but d’avoir une vitesse de performance du transistor MOSFET plus rapide; Il faut alors bien connaitre la structure électronique quantifiée de la couche d’inversion du silicium.
  11. 11. III.1. Paramètres mesurés: Masse effective des sous-bandes dans des directions spécifiques Énergie de séparation des niveaux quantiques à certain vecteur d’onde Émission de la lumière infra-rouge lointaine à travers les sous- bandes
  12. 12. Pour plus de détails, une mesure directe de la structure de dispersion de la sous-bande de valence du silicium est demandée.
  13. 13. III.2. Structure de dispersion:  En physique théorique, une relation de dispersion est une relation entre la pulsation et le vecteur d'onde k d'une onde monochromatique.  Par extension, la dualité onde-corpuscule de la physique quantique conduit à l'introduction de relation de dispersion pour une particule, comme relation entre son énergie E et sa quantité de mouvement p.
  14. 14. La structure de dispersion de la sous-bande de valence du silicium est détectée au moyen de la spectroscopie de photoémission à angle résolu, sur une surface de silicium métal-absorbante.
  15. 15. III.3. Spectroscopie de photoémission à angle résolu: La présentation de la surface de Fermi bidimensionnelle, telle que mesurée en utilisant la spectroscopie de la photoémission à angle résolu, consiste en deux structures: 1) des poches de trous bien définies autour des points M dans la zone de Brillouin de la surface; 2) des régions de forme triangulaire à mi-chemin, où un état électronique avoisine très près de EF.
  16. 16. III.4. Électrodes intégrées: Couche de métal atomique: Indium In ou plomb Pb Couche espace- charge de silicium Si (111) Une électrode intégrée est une électrode formée de plusieurs couches; ici, deux couches avec deux concentrations de porteurs de surface différentes ns. La préparation de ces surfaces et les mesures de spectroscopie de photoémission à angle résolu sont effectuées dans une chambre de vacuum ultrahaut.
  17. 17. III.4. Électrodes intégrées: Si + In + Pb Les deux concentrations des porteurs de surface ns sont en relation avec l’énergie des sous-bandes et les masses effectives, nécessaires pour déterminer les structures des sous- bandes de valence. Les deux structures de surface sont formées par une monocouche de métal, avec une large densité d’état du niveau de Fermi, ce qui induit une forte bande de flexion sans appliquer un voltage externe.
  18. 18. III.5. Bande de flexion: La bande de flexion réfère aux changements locaux dans l'énergie de décalage de la structure de bande d'un semi-conducteur à proximité d'une jonction, en raison des effets d'espace de charge. La bande de flexion est observée via un tracé de distance (diagramme de bande) et ne correspond pas à une physique spatiale de courbure. Le principe de flexion dans un semi-conducteur est le déséquilibre local dans la neutralité de charge. L'équation de Poisson donne une courbure aux bandes où il existe un déséquilibre dans la neutralité de charge.
  19. 19. III.6. Mesures effectuées: La bande de flexion induite par la structure des surfaces est calculée par l’équation dérivée de l’équation de Poisson. z = LD vs v ± dv 2 cos h (vb+v) cos h .vb−v . tan ub −1 z: profondeur de la surface LD: longueur de Debye v = 𝐄 𝐛 𝐢 − 𝐄 𝐢 𝐊 𝐁 𝐓 𝐮 𝐛 = 𝐄 𝐅− 𝐄 𝐛 𝐢 𝐊 𝐁 𝐓 𝐄 𝐅: niveau de Fermi 𝐄 𝐢: 𝐦𝐢𝐥𝐢𝐞𝐮 𝐝𝐮 𝐠𝐚𝐩 𝐯𝐚𝐫𝐢𝐚𝐧𝐭 𝐚𝐯𝐞𝐜 𝐳 𝐝𝐚𝐧𝐬 𝐥𝐚 𝐜𝐨𝐮𝐜𝐡𝐞 𝐞𝐬𝐩𝐚𝐜𝐞 − 𝐜𝐡𝐚𝐫𝐠𝐞 𝐄 𝐛 𝐢 : 𝐦𝐢𝐥𝐢𝐞𝐮 𝐝𝐮 𝐠𝐚𝐩 𝐝𝐚𝐧𝐬 𝐥𝐚 𝐦𝐚𝐬𝐬𝐞
  20. 20. III.7. Observations: 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 10 20 30 EF Énergiedeflexion(eV) Profondeur dès la surface de Si (nm) Pb In La différence du montant de la bande de flexion entre la couche d’inversion In et celle de Pb est de 0.25 eV. Le montant de la bande de flexion original diminue. Cela est dû aux effets de la photo-tension de surface des semi-conducteurs, qui ont été signalés par les mesures de la spectroscopie de photoémission à angle résolu.
  21. 21. L’effet de la photo-tension de surface des semi- conducteurs résulte de la circulation des électrons photo- induits et des trous, dans des directions opposées, le long du gradient électrique de la bande de flexion, lorsqu’il existe. La haute densité du flux de photons et le taux de recombinaison des faibles porteurs à basse température du substrat rend cet effet significatif. III.7. Observations:
  22. 22. III.7. Observations: Les courbes de dispersion de lumière avec le plan des trous lourds et légers sont visibles dans les deux couches d’inversion. Elles apparaissent sous la forme de petits pics. La sous-bande de plomb est proche du niveau de Fermi de 0.24 eV plus que l’indium. (≈ 0.25 eV du calcul précédent)
  23. 23. Notons que les sous-bandes existent non seulement à la couche d’inversion, mais aussi à la couche d’appauvrissement dans la région de la couche espace-charge.
  24. 24. III.7. Observations: • Les énergies de séparation entre les sous-bandes dépendent de k/ |k| ≤ 0.1 Å-1. Les formes des sous-bandes sont modifiées grâce à l’interaction entre les bandes adjacentes. • Pour |k| > 0.1 Å-1, les énergies de séparation sont constantes. • Pour |k| ≥ 0.3 Å-1, la dispersion des sous-bandes de In est plus plate que celle de Pb.
  25. 25. III.8. Relation entre la concentration de surface et la masse effective: Tous les résultats indiquent que la masse effective de la sous-bande de valence augmente avec ns. Cette augmentation est attribuable à un effet d’interaction électron-électron. Le résultat obtenu dans cette étude indique que la structure de dispersion de la sous- bande de valence n’a pas été influencée par ns à cette plage. La plus profonde sous-bande k = 0,0 Å-1 détectée dans cette étude se trouve à 0,88 eV dans la couche d’inversion de In et à 0,76 eV en celle de Pb.
  26. 26. III.8. Relation entre la concentration de surface et la masse effective: Dans un tel cas, la dispersion ne perturbe pas la cohérence et la formation de la fonction d'onde étendant dans la direction z, ce qui rend le pic de sous-bande faible et large. La sous-bande dont la longueur dépasse 15 nm n'a pas été détectée dans cette étude. Cela suggère qu'une couche d’inversion étroite est nécessaire pour observer la dispersion de sous-bande par la spectroscopie.
  27. 27. L’article a étudié les structures de dispersion des sous-bandes de trous dans Si (111) de type p, avec: • différentes concentrations de support de surface directement, par spectroscopie de photoémission à angle résolu; • Changement de la forme des couches d’inversion, impliquant le décalage du niveau de valence supérieure en fonction du décalage de la hauteur du confinement de potentiel.
  28. 28. Les niveaux d'énergie mesurés autres que n = 0 sont en bon accord avec celle des sous- bandes de valence calculées par l’approximation triangulaire, à la masse du trou de lumière. Les masses effectives des sous-bandes étaient semblables aux masses des trous et non modifiées par la variation de la concentration des porteurs de surface utilisées dans cette étude.

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