Dopage des semi-conducteurs à base de silicium en phase diamant hexagonale

L'apparition des semi-conducteurs du groupe IV de structure diamant hexagonale (2H) a ouvert de nouvelles perspectives pour l'optoélectronique. Contrairement à leurs homologues de structure diamant cubique (3C), dont les bandes interdites indirectes limitent l'émission optique, les polytypes 2H présentent des structures électroniques distinctes : le 2H-Si possède un gap indirect plus faible (0,95 eV), tandis que le 2H-Ge devient un semi-conducteur à gap pseudo-direct avec une bande interdite réduite (0,3 eV). Les alliages 2H-Si₁₋ₓGeₓ permettent un ajustement continu du gap de bande, passant d'indirect (2H-Si) à direct (2H-Ge), et couvrant des longueurs d'onde d'émission dans la plage pertinente de 1,3 à 1,8 μm. Les études de photoluminescence révèlent que l'augmentation de la teneur en Ge déplace le minimum de la bande de conduction vers le point Γ, conduisant à une transition directe et optiquement permise pour des concentrations en Ge supérieures à 0,65. Ces propriétés positionnent les matériaux du groupe IV en phase 2H comme des candidats prometteurs pour des émetteurs moyen-infrarouges compatibles CMOS. Cependant, leur potentiel technologique nécessite une compréhension plus approfondie des mécanismes de dopage, de la thermodynamique des impuretés et des interactions dopant-défaut. Cette thèse étudie l'incorporation des dopants, leur ségrégation et leurs interactions avec les défauts étendus dans les semi-conducteurs à base de silicium hexagonal en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Elle aborde trois questions de recherche centrales : (i) comment la phase cristalline hexagonale modifie-t-elle le comportement structural et électronique des impuretés de type p et n conventionnelles ? (ii) comment des concentrations extrêmes de bore affectent-elles la stabilité structurelle des alliages 2H-SiGe ? (iii) comment les dopants interagissent-ils avec les défauts plans étendus, en particulier la faute d'empilement basale omniprésente de type I₃ ? Les résultats montrent que les impuretés du groupe III sont plus stables dans la phase 2H, ce qui reflète leur préférence pour une coordination locale tricoordonnée inhérente au réseau hexagonal. Les accepteurs chargés présentent une stabilité renforcée et des niveaux de transition de charge légèrement moins profonds dans le 2H-Si par rapport au 3C-Si. Les donneurs neutres ne montrent pas de forte préférence de phase, tandis que les donneurs chargés positivement favorisent la structure cubique, conduisant à des niveaux donneurs plus peu profonds dans le 3C-Si que dans le 2H-Si. Ces résultats soulignent le rôle critique du liaisons locales et de la symétrie cristalline dans la détermination de l'énergétique des impuretés entre polytypes. Concernant l'hyperdopage, la thèse montre que des concentrations ultra-élevées de bore dans les alliages 2H-SiGe ne compromettent pas la stabilité structurelle ou thermodynamique, même sous dopage massif. Cela confirme la faisabilité énergétique de l'hyperdopage dans l'alliage hexagonal et suggère un potentiel pour la supraconductivité dans le 2H-SiGe métastable, de manière analogue aux effets observés dans le 3C-Si, le Ge et le SiGe fortement dopés. Enfin, l'analyse des interactions des dopants avec la faute d'empilement basale I₃ montre que les dopants de type p neutres ou négatifs préfèrent des sites éloignés du défaut, contrairement aux dopants de type n et aux impuretés isovalentes. Ce comportement de ségrégation résulte d'une interaction complexe entre l'ionisation électrostatique, les distorsions stériques locales et la rupture de symétrie au niveau du défaut, mettant en évidence l'influence critique de l'environnement local des défauts sur la stabilité et la distribution des dopants dans le 2H-Si. Cette thèse fournit un cadre théorique pour le dopage dans les semi-conducteurs hexagonaux du groupe IV et soutient la conception de matériaux 2H-Si, 2H-Ge et 2H-SiGe optimisés pour l'optoélectronique et les matériaux quantiques.