Superconductivity of laser-doped Silicon - Supraconductivité du Silicium dopé par laser – SUSI

SUSI CONTEXTE La supraconductivité du silicium cubique, matériau dominant en microélectronique et nanotechnologies, a été découverte récemment par des partenaires de ce projet [1]. Ces expériences ont montré que le silicium devient supraconducteur s'il est dopé au bore à des concentrations dépassant largement 1 at%, trop élevées pour les techniques de dopage conventionnelles (solubilité limite de B dans Si de 1,2 at% à 1000°C). Pour incorporer du bore à des concentrations de 2 à 10 at%, tout en maintenant la structure cubique du silicium pur, l'équipe de l'IEF a utilisé un procédé de dopage induit par laser appelé Gas Immersion Laser Doping (GILD). Cette technique avait été étudiée comme solution alternative à la réalisation de dopages très élevés, ultraminces et à profil carré pour la microélectronique silicium [2]. OBJECTIFS ET PLAN DE TRAVAIL Après cette première démonstration de supraconductivité dans Si:B, ce projet propose d'approfondir l'étude de la supraconductivité de Si induite par dopage, et de l'étendre à d'autres dopants et à un autre semiconducteur: le germanium. Le programme de travail est organisé en trois parties. La 1ère partie sera consacrée à l'optimisation du procédé laser GILD et à l'identification des paramètres et des processus dominants, pour améliorer le contrôle et la reproductibilité des films de Si:B, et augmenter la température de transition à l'état supraconducteur. De plus, on étudiera les possibilités d'un autre procédé laser, le recuit laser (Laser Thermal Annealing), où les dopants sont incorporés par implantation ionique [3]. Dans la 2nde partie, les objectifs seront d'élargir l'étude et le procédé laser à d'autres dopants et au germanium, et de développer et adapter à notre problématique des méthodes quantitatives de caractérisation de ces matériaux dopés [4]. La 3ième partie sera consacrée à l'étude physique approfondie des propriétés des semiconducteurs supraconducteurs réalisés par dopage laser, et des interfaces entre matériau supraconducteur et matériau normal. Dans ce cadre, les résultats expérimentaux obtenus sur les matériaux dopés supraconducteurs seront confrontés aux prédictions théoriques. Les avancées que nous ambitionnons, en proposant ce projet, permettraient de renforcer la position de groupes français [5] déjà bien placés dans la compétition internationale sur les nouveaux semiconducteurs supraconducteurs [6], mais permettraient aussi d'améliorer le contrôle et les capacités des procédés de dopage laser dédiés à la réalisation de films de Si ou Ge ultraminces, très fortement dopés, qui peuvent avoir d'autres applications pratiques, notamment pour la microélectronique et la photonique en technologie silicium. PARTENAIRES Nous estimons que ces objectifs pourront être atteints en 3 ans, grâce aux compétences complémentaires de ce consortium multidisciplinaire: le savoir faire en procédés laser, le réacteur de dopage laser, le bâti d'épitaxie IV-IV, et les ressources microtechnologiques disponibles à l'IEF, Orsay (P1), les équipements et compétences concernant la caractérisation des propriétés électriques, structurales et de transport, ainsi que les aspects théoriques de la supraconductivité, disponibles à l'Institut Néel, Grenoble (P2), les systèmes de mesure en champ magnétique et à très basse température dédiés à la supraconductivité, ainsi que l'expérience acquise sur les interfaces normal / supraconducteur présents au CEA/INAC, Grenoble (P3), et, enfin, l'apport essentiel des techniques d'analyse par SIMS des profils de concentration en dopant, dont la mise en œuvre et l'interprétation quantitative seront effectuées à l'INL de Lyon (P4). REFERENCES [1] Bustarret, Marcenat, Achatz, Kacmarcik, Lévy, Huxley, Ortéga, Bourgeois, Blase, Débarre, Boulmer, Superconductivity in doped cubic silicon , Nature 444, 465 (2006) [2] Kerrien, Sarnet, Débarre, Boulmer, Hernandez, Laviron, Séméria, Gas immersion laser doping (GILD) for ultra-shallow junction formation , Thin Solid Films,