Defects in silicon : revisiting theoretical frameworks to guide ab initio characterization
Les défauts dans le silicium : revisiter les modèles théoriques pour guider les calculs ab initio
Résumé
In this thesis, we describe the effect of localized defects on the electronic properties of silicon. After 60 years of silicon devices production, one might expect all details of this material to be fully understood, especially considering that the manufacture of nowadays nanometer-sized transistors requires quasi-atomic accuracy. However, as a direct result of such extreme miniaturization, the accidental creation of even one single trapping center can be sufficient to alter the desired electronic properties of the sample, becoming one of the most feared phenomena in the industry. Since the early years, the identification of these centers has been possible through the development of characterization techniques, capable of targeting specific defect properties, related to the position of the center-induced states within the semiconductor gap (infrared optical absorption, DLTS spectroscopy) or to the atomic distortions triggered by the form of the localized electronic density (EPR spectroscopy). Such collection of experimental data motivated the development of simple symmetry-based models, qualitatively reproducing the basic features of defects. The later exponential increase in computational power made ab-initio calculations the perfect candidate to give a quantitative theoretical model of point-defects in semiconductors. Atomistic numerical simulations in silicon, based on the Density Functional Theory, do however typically target specific defect-properties, not giving a complete theoretical picture of the system, often overlooking previous models and experimental evidence. In the present thesis, we provide new insight into iconic defects in silicon through the quantification of long-established atomistic models, making an explicit link with the characterization techniques. Our detailed exploration of the DFT energy surface of the silicon E-center, guided by a simple Jahn-Teller model, confirmed the observed defect-dynamics at different temperature regimes, allowing us to link the presence of such point-like defect to a burst noise in image sensors. Moreover, we investigate the hypothesis of enhancing photon-absorption in titanium-doped silicon solar cells by describing many-body effects in the form of the GW approximation, assigning the charged electronic excitations to transitions between Ti-related states, previously depicted by a phenomenological model for transition metals in silicon. We also propose a generalization of the preexisting toy-models to tackle complex centers, for which a notorious controversy within the ab-initio community still exists, showing explicitly the limitations of mean-field approaches when targeting highly localized electronic densities. We conclude with a brief critical review of the theoretical characterization of the defects electronic activity, and in particular the capture cross section of non-radiative transitions.
Dans cette thèse, nous décrivons l'effet des défauts localisés sur les propriétés électroniques du silicium. Après 60 ans de production industrielle de dispositifs à base de silicium, on pourrait s'attendre à ce que tous les caractéristiques de ce matériau soient parfaitement comprises, surtout si l'on considère que la fabrication des transistors actuels à l'échelle du nanomètre nécessite une précision quasi atomique. Cependant, en conséquence directe de cette miniaturisation extrême, la création accidentelle d'un seul défaut peut suffire à modifier les propriétés électroniques souhaitées de l'échantillon, devenant ainsi l'un des phénomènes les plus redoutés de l'industrie. Historiquement, l'identification de ces centres a été possible grâce au développement et à l'amélioration des techniques de caractérisation, capables de cibler des propriétés de défaut spécifiques, par exemple, liées à la position des états induits par le centre dans la bande interdite du semi-conducteur (absorption optique infrarouge, spectroscopie DLTS) ou aux distorsions atomiques déclenchées par la forme de la densité électronique localisée (spectroscopie EPR). Une telle quantité de données expérimentales a motivé le développement de modèles simples basés sur la symétrie, reproduisant qualitativement les caractéristiques fondamentales des défauts. Plus récemment l'augmentation exponentielle de la puissance de calcul a fait des calculs ab initio le modèle théorique parfait pour fournir une représentation quantitatif des défauts ponctuels dans les semi-conducteurs. Les simulations numériques à l'échelle atomique dans le silicium, basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, ciblent cependant généralement des propriétés spécifiques des défauts, ne donnant pas une image théorique complète du système, et négligeant souvent les modèles précédents et les preuves expérimentales. Dans cette thèse, nous apportons une nouvelle vision sur les défauts emblématiques du silicium par la quantification de modèles identifiés de longue date, en établissant un lien explicite avec les techniques de caractérisation. Notre exploration détaillée de la surface d'énergie potentielle du "E-center" du silicium, guidée par un modèle simple de Jahn-Teller, a confirmé la dynamique des défauts observée à différents régimes de température, nous permettant de relier la présence d'un tel défaut ponctuel à un bruit électronique dans les capteurs d'images. De plus, nous étudions l'hypothèse d'une amélioration de l'absorption des photons dans les cellules solaires en silicium dopé au titane en décrivant les effets à plusieurs corps à l'aide de l'approximation GW. De cette manière, on attribue les excitations électroniques chargées aux transitions entre les états du titane, précédemment décrits par un modèle phénoménologique pour les métaux de transition dans le silicium. Nous proposons également une généralisation des toy-models préexistants pour aborder les centres complexes, pour lesquels une controverse notoire au sein de la communauté ab initio existe toujours, montrant explicitement les limites des approches de champ moyen lorsqu'elles ciblent des densités électroniques hautement localisées. Nous concluons par une brève revue critique de la caractérisation théorique de l'activité électronique des défauts, et en particulier de la section efficace de capture des transitions non radiatives.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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