Transcript Caroline LEMAITRE - Présentation / Parcours

Stage de Master 1
Soutenance du 26 Juin 2012
Maître de stage : Christine ROBERT-GOUMET
Encadrants : Christine ROBERT-GOUMET
Guillaume MONIER
Philip HOGGAN
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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.
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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 GaAs (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
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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 5W.
Température élevée à 500°C
Atome N
Atome Ga
Atome As
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Porte-échantillon
chauffant
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Principe :
rayon X
photoélectrons
électrons Auger
photons X
Echantillon
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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.
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Nettoyage chimique ex situ
Bombardement par jet d’ion Ar+ in situ
Bains de H2SO4 sous ultrasons
Energie : 1000eV
Bains d’eau désionisée
Durée : 1h
Bains de méthanol
Aucun pic O1s n’est détecté.
Décomposition de l’As3d : présence de liaisons As-Ga uniquement.
Décomposition du pic Ga3d : présence de gallium métallique.
Nous obtenons une surface riche en gallium.
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Conditions de nitruration : p=10-3 Pa, E=2450eV, 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 GaN
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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 :
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Nitruration de GaAs (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
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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
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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 KohnSham.
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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 uniforme
GGA : système inhomogène
Prise en compte de la densité et de son gradient
Intérêt pour de fortes variations de densité
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Processus itératif dit méthode du champ auto-cohérent :
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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 CarParrinello sur une base d’ondes planes.
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Reprise des fichiers existants pour les
calculs DFT.
Création d’une lamelle de
GaAs de structure blende de
zinc comportant 3 mailles
entières d’épaisseur.
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Paramètres de maille :
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.
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.
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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 GaN est grande mais cette évolution n’est pas linéaire;
présence d’oxygène considéré comme un polluant dans la matrice de
GaN.
D’après nos études par DFT :
nous pouvons modéliser des mailles GaAs et GaN;
mise en évidence de la diffusion de l’arsenic et de l’azote.
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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).
La création de films minces de GaN sur GaAs pourra servir à :
Passiver des nanofils pour réaliser des pointes STM
Stabiliser l’interface GaN/GaAs 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.
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