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We demonstrate the correlation between the the doping atoms concentration and the Coulomb blockade phenomenon in silicon nanowires. At room and intermediate temperatures nanowires show a field effect, while at low temperature current oscillations due to Coulomb blockade dominate transport close to the conduction threshold. Detailed experimental results on samples with two different doping levels allowed Coulomb blockade to be related to the presence of the dopants. In the limit of a few dopants per cross section, as for low doping level (2.5×1017cm-3), the electrical behavior of the nanowire is similar to that of a one dimensional array of dots. In nanowires with a high doping level (1019cm-3), transport can be modeled on the basis of a two dimensional arrays of dots.

This work presents the study of the electrical transport in low dimensional highly doped silicon structures. The context of this study is the understanding of the mesoscopic transport and the size reduction of MOS devices. The nanostructures are fabricated by a local oxidation under the tip of an atomic force microscope (AFM), on ultra-thin silicon on insulator (SOI) substrates. This technique was preferred for its high flexibility, resolution (10nm) and no proximity effects. It allows obtaining nanostructures with cross-sections of some hundreds square nanometers.While the electrical behaviour at room temperature is similar to MOS/SOI devices, at low temperatures current oscillations are superimposed to the field effect and dominate the transport under 70K. Thus, the electrical transport is subject to Coulomb blockade, characterized by current oscillations, Coulomb diamonds shapes in the current versus drain voltage and gate voltage mapping and the simple activation law of the conductance. We associate the Coulomb blockade in these nanowires to the potential wells due to the presence of the doping atoms in the structures. A one dimensional array of islands model explains the electrical behaviour of the low doping structures, while for the highly doped structures the transport is well modelled by a two dimensional array of islands model. We have used an original method to fabricate silicon test nanostructures used to investigate the electrical transport mechanisms in low dimensional systems.; Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.

This work presents the study of the electrical transport in low dimensional highly doped silicon structures. The context of this study is the understanding of the mesoscopic transport and the size reduction of MOS devices. The nanostructures are fabricated by a local oxidation under the tip of an atomic force microscope (AFM), on ultra-thin silicon on insulator (SOI) substrates. This technique was preferred for its high flexibility, resolution (10nm) and no proximity effects. It allows obtaining nanostructures with cross-sections of some hundreds square nanometers.While the electrical behaviour at room temperature is similar to MOS/SOI devices, at low temperatures current oscillations are superimposed to the field effect and dominate the transport under 70K. Thus, the electrical transport is subject to Coulomb blockade, characterized by current oscillations, Coulomb diamonds shapes in the current versus drain voltage and gate voltage mapping and the simple activation law of the conductance. We associate the Coulomb blockade in these nanowires to the potential wells due to the presence of the doping atoms in the structures. A one dimensional array of islands model explains the electrical behaviour of the low doping structures, while for the highly doped structures the transport is well modelled by a two dimensional array of islands model. We have used an original method to fabricate silicon test nanostructures used to investigate the electrical transport mechanisms in low dimensional systems., Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.