Soutenance de thèse : Juan Carlos ACOSTA ABANTO

Phénomènes thermiques et thermoélectriques dans le silicium dopé, le titane et leur interface métal- semiconducteur

Doctorant : Juan Carlos ACOSTA ABANTO

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : n°162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Dans cette thèse de doctorat, le transport de chaleur et de charge dans le silicium dopé et dans le titane, ainsi qu’au niveau de leur contact métal– semi-conducteur, est étudié. Ces systèmes présentent un intérêt particulier en raison de leur pertinence pour les dispositifs microélectroniques et de la diversité des phénomènes physiques qu’ils mettent en jeu. Dans un premier temps, l’équation de transport de Boltzmann est appliquée aux phonons et aux électrons, et résolue par la méthode des ordonnées discrètes. Les résultats préliminaires montrent l'émergence des effets de transport balistique lorsque la taille du système devient comparable ou inférieure au libre parcours moyen des porteurs. D'autre part, la thermalisation mutuelle des sous-systèmes électronique et phononique lorsqu’ils interagissent est mise en évidence. L’effet d’une interface diffuse titane–silicium sur la chute de température des porteurs au niveau du contact des matériaux est également abordé. Ensuite, via la méthode 3ω, la conductivité thermique du silicium dopé au phosphore (type n) et au bore (type p) est déterminée en fonction de la température. Les résultats montrent que les concentrations de dopage inférieures à environ 10^17 cm-3 n’ont pas d’effet significatif sur la conductivité thermique, tandis qu’à 10^17 cm-3 et à 303 K, des réductions d’environ 17 % et 25 % sont observées pour le silicium de type n et p, respectivement. En collaboration avec des théoriciens, une analyse est menée afin de clarifier les mécanismes de diffusion des phonons à l’origine de cette réduction de la conductivité thermique en fonction de la température, du dopage et de la fréquence des phonons. La suite des travaux se concentre sur la caractérisation électrique et thermique les structures titane–silicium. Les mesures courant–tension et capacité–tension fournissent des paramètres clés tels que la hauteur de la barrière de Schottky, le potentiel de contact et la largeur de la zone de déplétion. Des expériences complémentaires de microscopie thermique à sonde locale (SThM) et de thermométrie infrarouge révèlent de manière systématique un échauffement global de l’échantillon sous polarisation directe. Malgré les incertitudes liées aux mesures SThM, les résultats restent qualitativement cohérents et permettent de détecter, à partir de l’analyse fréquentielle des signaux, la présence d’effets thermoélectriques dans l’échantillon étudié. En effet, la puissance associée à l’effet Peltier apparaît beaucoup plus importante (d'environ un ordre de grandeur) que la puissance de Joule. De plus, des mesures SThM réalisées sur la tranche polie (préparée par focused ion beam, FIB) d’un échantillon confirment un échauffement global et ne révèlent pas d'échauffement localisé au contact Ti–Si. Ceci est cohérent avec la grande diffusivité thermique du silicium, qui dissipe rapidement la chaleur dans le volume du substrat. Ces résultats sont également corrélés aux mesures de microscopie à sonde de Kelvin (KPFM), dans lesquelles le signal mesuré est fortement perturbé au-delà d'une certaine tension appliquée à l'échantillon, suffisante pour induire un chauffage important et des effets électrostatiques entraînant une flexion incontrôlée du levier KPFM. Ces mesures permettent également de déterminer l'évolution de la largeur de la zone de déplétion en fonction de la tension appliquée à l'échantillon, tel que les mesures capacité–tension le font. Toutefois, les valeurs mesurées par KPFM sont beaucoup plus grandes (> 10 µm) que celles obtenues par les mesures capacité–tension (quelques micromètres), suggérant que des effets de surface et de polissage FIB pourraient être à l'origine de ces différences. Dans l’ensemble, ce travail contribue à améliorer la compréhension du transport de chaleur et de charge dans les systèmes métal–semi-conducteur, en révélant des effets physiques complexes et en offrant des perspectives pour guider les études à venir.