Stage de Master 1 Soutenance du 26 Juin

Stage de Master 1 Soutenance du 26 Juin 2012 Etude de la nitruration de surfaces de Ga. As (1, 0, 0) Caroline LEMAÎTRE Maître de stage : Christine ROBERT-GOUMET Encadrants : Christine ROBERT-GOUMET Guillaume MONIER Philip HOGGAN 1

Les semi-conducteurs III-V sont très utilisés en microélectronique et en optoélectronique. 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. 2

Objectifs du stage : Maîtriser l’étude de matériaux sous ultra-vide et la caractérisation de surfaces par la méthode XPS Caractériser le processus de nitruration du Ga. As (100) sous UHV 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 3

La nitruration est un procédé durant lequel les surfaces sont exposées à un flux d’azote actif. Flux d’azote produit par une source type GDS travaillant à 5 W. Température élevée à 500°C Atome N Atome Ga Atome As 4

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Porte-échantillon chauffant 6

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Principe : rayon X photoélectrons Auger photons X Echantillon 8

Chaque pic du spectre caractérise l’atome émetteur. L’intensité d’un pic est proportionnel à la concentration de l’espèce chimique qu’il symbolise. La décomposition d’un pic nous donne les liaisons chimiques de l’atome émetteur. 9

Nettoyage chimique ex situ Bombardement par jet d’ion Ar+ in situ Bains de H 2 SO 4 sous ultrasons Energie : 1000 e. V Bains d’eau désionisée Durée : 1 h Bains de méthanol Aucun pic O 1 s n’est détecté. Décomposition de l’As 3 d : présence de liaisons As-Ga uniquement. Décomposition du pic Ga 3 d : présence de gallium métallique. Nous obtenons une surface riche en gallium. 10

Conditions de nitruration : p=10 -3 Pa, E=2450 e. V, T=500°C Spectres d’un échantillon nitruré pendant 30 minutes Disparition du Ga métallique avec apparition de liaisons Ga-N Absence de liaisons As-N et N-As O présent dans le réseau Ga. N 11

Constante liée aux Fluxconditions de Facteur photons ded’analyse Section Fonction symétrie incidents efficace de orbitale transmission d’ionisation Concentration du spectromètre des atomes Intensité d’un pic : Terme d’atténuation a : Angle entre la normale à la Libre parcours moyen inélastique surface et l’axe de collection Au final : 12

Nitruration de Ga. As (100) Plans constitués d’un seul type d’atome Les calculs théoriques nous donne, pour le modèle 1 : Utilisation des rapports pour comparer la théorie et l’expérience IGa IAs et IN IGa 13

Temps d’exposition : Echantillon 1 : 5 minutes Echantillon 2 : 30 minutes Echantillon 3 : 1 heure Courbe théorique de la variation des rapports d’intensité en fonction du nombre de couches Plus l’exposition est longue, plus l’épaisseur est grande. L’expérience tend à être plus proche du second modèle. Perspective : prise en compte de l’oxygène dans les modèles 14

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. 15

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 uniforme GGA : système inhomogène Prise en compte de la densité et de son gradient Intérêt pour de fortes variations de densité 16

Processus itératif dit méthode du champ auto-cohérent : 17

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 : Orbitales électroniques Nucléons Contraintes du système ABINIT : logiciel utilisant la DFT pour un système périodique et permettant des calculs Car. Parrinello sur une base d’ondes planes. 18

Reprise des fichiers existants pour les calculs DFT. Création d’une lamelle de Ga. As de structure blende de zinc comportant 3 mailles entières d’épaisseur. 19

Paramètres de maille : ABINIT utilise un paramètre de maille référent unique. Entre les deux modèles créés, seules positions initiales des atomes diffèrent. Amélioration : réussir à créer deux paramètres de maille différents dans un même calcul. Jet d’azote (avec 13 atomes) : Démonstration de la diffusion d’arsenic vers des sites libres à l’intérieur du réseau et de la diffusion d’azote à leurs places. Diffère de l’expérience donc la nitruration doit être un phénomène séquentiel. 20

D’après nos études XPS : la surface initiale est riche en gallium; 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 Ga. N est grande mais cette évolution n’est pas linéaire; présence d’oxygène considéré comme un polluant dans la matrice de Ga. N. D’après nos études par DFT : nous pouvons modéliser des mailles Ga. As et Ga. N; mise en évidence de la diffusion de l’arsenic et de l’azote. 21

Après avoir approfondie l’étude de la nitruration de Ga. As (100), il faudra développer des modèles pour des surfaces de type Ga. As (110) et (111). La création de films minces de Ga. N sur Ga. As pourra servir à : Passiver des nanofils pour réaliser des pointes STM Stabiliser l’interface Ga. N/Ga. As afin de réaliser une reprise d’épitaxie pour la fabrication de diodes émettant dans l’ultraviolet Augmenter le taux de recombinaison des électrons dans le semiconducteur permettant de réaliser des transistors plus efficaces En utilisant un masque poreux d’alumine, la création de boîtes quantiques enfouies est aussi envisageable. 22

Merci de votre attention