Soutenance de thèse de Hadjer OUADDAH

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Silicium,Solidification,caractérisation in situ,défauts structuraux,impuretés,propriétés électriques
Keywords
Silicon,solidification,in situ characterization,structural defects,impurities,electrical properties
Titre de thèse
Etude des défauts cristallins issus de la solidification du silicium. Effet des impuretés et corrélation entre cristallographie, propriétés physico-chimiques et électriques.
Study of crystalline defects issued from silicon solidification. Effect of impurities and correlation between crystallography, physico-chemical and electrical properties.
Date
Mardi 14 Décembre 2021 à 9:00
Adresse
Campus St-Jérôme, Faculté des Sciences Avenue Escadrille Normandie Niemen, 13397 Marseille Cedex 20, France
salle des thèses
Jury
Directeur de these Mme Nathalie MANGELINCK-NOëL CNRS
CoDirecteur de these Mme Isabelle PéRICHAUD Aix-Marseille Université
Rapporteur Mme Anne KAMINSKI-CACHOPO Grenoble INP - Phelma
Rapporteur M. Kozo FUJIWARA Tohoku University, Institute for Materials Research.
Examinateur Mme Stéphanie ESCOUBAS Aix-Marseille Université
Examinateur M. Guy CHICHIGNOUD CNRS-SIMAP

Résumé de la thèse

Au cours de cette thèse, une approche expérimentale incluant plusieurs techniques a été utilisée pour caractériser les défauts structuraux issus de l'étape de solidification, par imagerie in situ aux rayons X pendant la solidification, et par des techniques complémentaires ex situ pour caractériser et quantifier la structure de grains, la qualité cristalline et la déformation. La composition et la ségrégation des impuretés ont été mesurées globalement et localement en corrélation avec la caractérisation fine des défauts. Ces résultats ont également été corrélés aux mesures de durée de vie des porteurs minoritaires. Les analyses montrent l'influence significative des impuretés légères (carbone et oxygène) et métalliques (cuivre) sur la solidification du silicium et sur les propriétés électriques. En présence d'impuretés légères, une fréquence plus élevée de germination des grains est observée et elle est liée à la présence de précipités. La structure de grains résultante est constituée d'une plus grande proportion de macles d'ordre élevé et de joints de grain aléatoires par rapport au cas des échantillons faiblement contaminés. De plus, des déformations locales sont induites par la présence de SiC et sont à l'origine de la formation de sous-joints. Les propriétés électriques sont dégradées (durée de vie des porteurs minoritaires plus faible et inhomogène) en présence d’impuretés légères par rapport au cas des matériaux Si purs. Dans les échantillons contaminés par le cuivre, aucun effet significatif sur la structure de grains n'a été mis en évidence. Cependant, il a été observé que les joints de macles Σ3 cohérents qui sont des défauts de haute qualité cristalline peuvent être actifs en présence de Cu. Cette observation a été corrélée à la ségrégation du Cu au niveau de ces joints de grains. Au cours de cette étude, les progrès récents des caractérisations in situ de dynamique de formation des défauts pendant la solidification ont permis d’ouvrir de nouvelles perspectives.

Thesis resume

During this thesis, an experimental approach including several techniques was used to characterize structural defects issued from the solidification step by in situ X-ray imaging during solidification and by complementary ex situ techniques to characterize and quantify the grain structure, crystalline quality, and deformation. The composition and segregation of impurities were measured globally and locally in correlation with the fine defect characterization. These results were also correlated to minority carrier lifetime measurements. It shows significant influence of light impurities (carbon and oxygen) and metallic (copper) impurities on Si solidification and on the electrical properties. In the presence of light impurities, a higher frequency of grain nucleation is observed, and it is linked to the presence of precipitates. The resulting grain structure is constituted by a higher proportion of high order twin and of random angle grain boundaries compared to the case of low contaminated samples. Moreover, local deformations are induced by the presence of SiC and are at the origin of SABGs (Small Angle Grain Boundaries) formation. The electrical properties are degraded (lower and inhomogeneous minority carrier lifetime) in the presence of light impurities compared to the case of pure Si materials. In copper contaminated samples, no significant effect on the grain structure was evidenced. However, it was observed that coherent Σ3 twin boundaries, which are defects of high crystalline quality, can be active in presence of Cu. This observation was correlated to Cu segregation at the level of these grain boundaries. During this study, recent progress concerning the in situ characterization of the defect formation dynamics during solidification allowed to open new prospects