Maître de stage : Christine ROBERT-GOUMET

Encadrants : Christine ROBERT-GOUMET

Guillaume MONIER

Philip HOGGAN

Stage de Master 1Soutenance du 26 Juin 2012

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Les semi-conducteurs III-V sont très utilisés en microélectronique et en optoélectronique.

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Les III-N sont très recherchés pour leur grand gap direct. Cependant leur croissance est complexe du fait de leur grande différence de paramètre de maille par rapport aux autres semi-conducteurs.

Pour une reprise d’épitaxie dans des conditions optimales, il faut une excellente qualité de surfaces et d’interfaces.

Une solution est de nitrurer les semi-conducteurs III-V.

Objectifs du stage :

Caractériser le processus de nitruration du GaAs (100) sous UHV

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Maîtriser l’étude de matériaux sous ultra-vide et la caractérisation de surfaces par la méthode XPS

Déterminer l’épaisseur de nitrure à partir d’une modélisation des résultats XPS

Modéliser théoriquement les phénomènes mis en jeu au cours de la nitruration par la méthode DFT

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La nitruration est un procédé durant lequel les surfaces sont exposées à un flux d’azote actif.

Atome N

Atome Ga

Atome As

Flux d’azote produit par une source type GDS travaillant à 5W.

Température élevée à 500°C

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Porte-échantillon chauffant

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Principe :

photons X

électrons Auger

photoélectrons

Echantillon

rayon X

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Chaque pic du spectre caractérise l’atome émetteur.

La décomposition d’un pic nous donne les liaisons chimiques de l’atome émetteur.

L’intensité d’un pic est proportionnel à la concentration de l’espèce chimique qu’il symbolise.

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Nettoyage chimique ex situ

Bains de H2SO4 sous ultrasons

Bains d’eau désionisée

Bains de méthanol

Bombardement par jet d’ion Ar+ in situ

Nous obtenons une surface riche en gallium.

Aucun pic O1s n’est détecté.

Décomposition du pic Ga3d : présence de gallium métallique.

Décomposition de l’As3d : présence de liaisons As-Ga uniquement.

Energie : 1000eV

Durée : 1h

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Spectres d’un échantillon nitruré pendant 30 minutes

Disparition du Ga métallique avec apparition de liaisons Ga-NAbsence de liaisons As-N et N-AsO présent dans le réseau GaN

Conditions de nitruration : p=10-3 Pa, E=2450eV, T=500°C

Terme d’atténuation

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Intensité d’un pic :

Au final :

Constante liée aux conditions d’analyseFlux de photons incidentsSection efficace d’ionisation

Angle entre la normale à la surface et l’axe de collection

Facteur de symétrie orbitaleFonction de transmission du spectromètre

Libre parcours moyen inélastique

Concentration des atomes

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Les calculs théoriques nous donne, pour le modèle 1 :

IGa

IAs

INIGa

Utilisation des rapports pour comparer la théorie et l’expérience

et

Nitruration de GaAs (100)Plans constitués d’un seul type d’atome

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Plus l’exposition est longue, plus l’épaisseur est grande.

L’expérience tend à être plus proche du second modèle.

Courbe théorique de la variation des rapports d’intensité en fonction du nombre de couches

Perspective : prise en compte de l’oxygène dans les modèles

Temps d’exposition :Echantillon 1 : 5 minutesEchantillon 2 : 30 minutesEchantillon 3 : 1 heure

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DFT : Reformulation d’un problème quantique à N corps en un problème monocorps dont le seul paramètre est la densité électronique totale de l’état fondamental.

En 1964, P. Hohenberg et W. Kohn démontrent que l’énergie de l’état fondamental d’un système à N électrons est une fonctionnelle unique de la densité électronique totale. Leurs théorèmes sont utilisables à l’aide des équations de Kohn-Sham.

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W. Kohn et L. Sham remplace le système d’électrons en interaction par un système d’électrons indépendants dans un potentiel externe. Cela leur a permis de définir les équations de Kohn-Sham.

Equation de Kohn-Sham :

Choix d’approximation pour la fonction d’échange-corrélation :LDA : modèle du gaz uniforme d’électrons

La densité est uniformeGGA : système inhomogène

Prise en compte de la densité et de son gradientIntérêt pour de fortes variations de densité

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Processus itératif dit méthode du champ auto-cohérent :

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ABINIT :

logiciel utilisant la DFT pour un système périodique et permettant des calculs Car-Parrinello sur une base d’ondes planes.

Méthode de Car-Parrinello :

dynamique moléculaire ab-initio qui donne une masse fictive aux orbitales électroniques. Cela permet l’écriture d’un Lagrangien qui donne les équations du mouvement :

Contraintes du systèmeOrbitales électroniques Nucléons

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Création d’une lamelle de GaAs de structure blende de zinc comportant 3 mailles entières d’épaisseur.

Reprise des fichiers existants pour les calculs DFT.

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Paramètres de maille :

Démonstration de la diffusion d’arsenic vers des sites libres à l’intérieur du réseau et de la diffusion d’azote à leurs places.

Jet d’azote (avec 13 atomes) :

Diffère de l’expérience donc la nitruration doit être un phénomène séquentiel.

ABINIT utilise un paramètre de maille référent unique.Entre les deux modèles créés, seules les positions initiales des atomes diffèrent.

Amélioration : réussir à créer deux paramètres de maille différents dans un même calcul.

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D’après nos études XPS :

D’après nos études par DFT :

la surface initiale est riche en gallium;

mise en évidence de la diffusion de l’arsenic et de l’azote.

les liaisons Ga-Ga présentes sur la surface après le nettoyage, sont entièrement transformées en liaisons Ga-N ou Ga-O en moins de 30 minutes;

plus l’exposition au plasma d’azote est longue, plus l’épaisseur de la couche de GaN est grande mais cette évolution n’est pas linéaire;

présence d’oxygène considéré comme un polluant dans la matrice de GaN.

nous pouvons modéliser des mailles GaAs et GaN;

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Après avoir approfondie l’étude de la nitruration de GaAs (100), il faudra développer des modèles pour des surfaces de type GaAs (110) et (111).

Stabiliser l’interface GaN/GaAs afin de réaliser une reprise d’épitaxie pour la fabrication de diodes émettant dans l’ultraviolet

En utilisant un masque poreux d’alumine, la création de boîtes quantiques enfouies est aussi envisageable.

La création de films minces de GaN sur GaAs pourra servir à :

Passiver des nanofils pour réaliser des pointes STM

Augmenter le taux de recombinaison des électrons dans le semi-conducteur permettant de réaliser des transistors plus efficaces