Transcript Christine ROBERT-GOUMET Habilitation à Diriger des Recherches L’EPES : méthode d’analyse de surfaces : expériences et modélisations Etude de l’hétérostructure InN/InP(100) par spectroscopies électroniques Pr.

Christine ROBERT-GOUMET
Habilitation à Diriger des Recherches
L’EPES : méthode d’analyse de surfaces :
expériences et modélisations
Etude de l’hétérostructure InN/InP(100) par
spectroscopies électroniques
Pr. A. Dubus : Faculté des Sciences appliquées de Bruxelles
Pr. G. Lelay :Université de Provence, Marseille
Pr. B. Gruzza : Université Blaise-Pascal, Clermont-Fd
Dr. G. Gergely : Académie des Sciences de Hongrie, Budapest
Pr. V. Matolin : Université Charles, Prague
Pr. L. Bideux : Université Blaise-Pascal, Clermont-Fd
1
L’enseignement
Enseignante au département de Physique de l’UBP :
■ Ecole d’ingénieur Polytech’Clermont
- 2ème année : Microscopies Electroniques
- 3ème année : Spectroscopies Electroniques
Activités d’enseignement :
■ M2R - Master mention STIC
- Caractérisations avancées des solides
■ M2P - Master Professionnel IUP GSI
- Microscopies électroniques (MEB et MET)
■ M1- Master mention physique parcours matériaux
- Microscopies électroniques
- Diffraction des rayons X par les matériaux
■ L1-L3 - Licence Physique et Ingénieries et CP2I
- Mécanique du point
- Optique géométrique
- Electrostatique, Electrocinétique
- Mécanique des Fluides / des Vibrations
- Chocs et Vibrations, Transferts thermiques
2
L’enseignement
Enseignante au département de Physique de l’UBP :
Responsabilités administratives :
Membre du conseil du département
Vice-présidente et trésorière
(2002-2006)
Commission des finances (UFR)
1998
2001
2002
2003
2004
2005
Conseil du département
Commission des études
(UFR)
2006
2007
2008
Directrice des Etudes de Première Année (DEPA)
Coordinatrice de la Classe Préparatoire Intégrée CHIM.I.ST
3
L’enseignement
La recherche
Chercheur au LASMEA :
Responsabilités administratives :
Commission de spécialistes
28 (UBP)
1998
2001
2002
2003
Commission de spécialistes
28 (UBP) et 28-61-63 (UA)
2004
2005
2006
2007
Commission de
spécialistes
28 (UBP)
Assesseur
2008
Conseil de laboratoire
(LASMEA)
4
L’enseignement
La recherche
Chercheur au LASMEA :
Activités de recherche :
■ Développement des méthodes d’analyse par spectroscopies
électroniques : EPES et MM-EPES
■ Elaboration de couches ultra-minces de nitrure d’indium sous
ultra-vide. Caractérisations in-situ par spectroscopies
électroniques (AES, EPES, XPS)
5
L’enseignement
La recherche
B. ZEFACK
N. DALLE
■ Mes encadrements de stages :
■ Mes encadrements de thèses :
R. DJONDANG
S. ARABASZ
Samir CHELDA
P. IROCZ
Sana Ben KHALIFA
Matthieu PETIT
Radek KAPSA
ATER 28ème
MCF 28ème
UBP
UBP
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Soutenance
Thèse
Recrutement
6
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Partie 1. Interactions élastiques des électrons avec la matière Développement des méthodes d’analyse par spectroscopies
électroniques : EPES et MM-EPES.
Contexte de l’étude
 Interprétation quantitative de nombreuses méthodes d'analyse :
 Paramètre fondamental : li
 Obtention :
• Utilisation de mesures optiques
• Calculs théoriques
• Utilisation du nombre d'électrons élastiques réfléchis par les matériaux
 Suivi in-situ de la formation d’interfaces complexes :
 L’EPES : méthode adaptée – sensible à la surface des matériaux
7
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Spectroscopie
de rétrodiffusion
élastique des électrons
EPES
 Méthode expérimentale : mesure de l’intensité élastique he = Ie/Ip
 Simulation Monte Carlo : description du cheminement des électrons
élastiques dans la matière he(MC)
 Comparaison expériences/simulations
Détermination du libre parcours moyen inélastique des électrons : li
Etude d’hétérostructures complexes
8
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Simulation du parcours des électrons élastiques dans le matériau par
méthode de Monte-Carlo.
 Détermination des libres parcours des électrons
Formule de Bauer1
le 
1
T NA
T : section différentielle totale de diffusion élastique
NA : densité des atomes/cm3
Formule de TPP-2M2
li 
E
 2
C D 
 E p   lnE   E  E 2 

 
Nv : nombre d’électrons de valence
par atome ou molécule
r : densité volumique
Eg : gap du matériau
M : poids atomique ou moléculaire
le  le ln(r )
Loi de Poisson
1 E.
2
li  li ln(r )
Bauer, J. Vac. Sci. Technol. 7 (1970) 3
S. Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf. Interf. Anal. 21 (1994) 165
9
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Nature de l’interaction :
• Interaction inélastique : li < le
Parcours de l’électron stoppé
• Interaction élastique : li > le
Calcul des angles de diffusion (q,j)
 Détermination des angles de diffusion ( q,j ):
j : angle azimutal
Distribution statistique uniforme sur [0,2p]
q : angle de diffusion élastique
Loi dont la fonction densité de probabilité est f(q)
10
L’enseignement
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
La recherche
 Repérage de l’électron : coordonnées de l’électron
Analyseur
Electrons primaires
a
Au début de la simulation : 0, qa, j=0
qout
Surface
A la nième collision élastique : r, qn, jn
xn 1  xn  le sin j n cosq n
yn 1  xn  le sin j n sin q n
j
zn 1  zn  le cosq n
ln
q
z’
ln-1
x’
an-1
z
z
y’
11
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Influence de la structure du matériau
 Dans la plupart des modèles développés dans la littérature :
 le solide = un milieu homogène semi-infini
 Approche différente :
 Description du matériau couches par couches
Modèle AAA
Modèle ABAB
Modèle AAB
12
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Importance de l’acceptance de l’analyseur
N él
he( MC ) 
N
Nél : nombre d’électrons réfléchis élastiquement et
rentrant dans l’analyseur
N : nombre total d’électrons ayant permis de réaliser
la simulation (1 000 000 d’électrons)
Energie primaire des électrons incidents
a : angle d’incidence des électrons primaires
qout et jout : angles d’émission des électrons élastiques
Différents types d’analyseurs :
- RFA
- HSA tournant
Définition de la
fenêtre de collection
de chaque analyseur
- CMA
13
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Résultats de la simulation Monte-Carlo.
 Distribution angulaire :
Al, a = 30°
Représentation 3D
Distribution dépend des
angles d’incidence et
d’émission
Al, a = 60°
Al, a = 70°
14
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
E = 200 eV
100100
Nombre d'électrons réfléchis élastiquement (%)
A 200 eV
Près de 98% des électrons
proviennent des 2 premières
couches
1ère couche
Ag couche
(Z=47)
2ème
80 80
3ème couche
E = 200eV
E = 1000 eV
60
60
E = 1000 eV
40
40
20
20
0
13
28
29
0
1
2
3
31
42
47
49
Numéros atomiques
4
5
6
Nombre de couches atteintes
A 1000 eV
70-80% des électrons proviennent
des 3 premières couches
79
7
8
Nombre d'électrons réfléchis élastiquement (%)
Pourcentage d'électrons réfléchis élastiquement (%)
 Provenance des électrons :
100
80
Possibilité en faisant varier l’énergie
couche
60
primaire des électrons, de1ère
modifier
la
2ème couche
profondeur atteinte : MM-EPES
3ème couche
40
20
0
13
28
29
31
42
47
49
79
Numéros atomiques
15
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Dépendances du coefficient de réflexion élastique :
1. Dépendance énergétique
h (%)
e
8
Z=14 (Si)
Z=29 (Cu)
Suivant les éléments Z :
dépendance énergétique
différente
Z=49 (In)
6
Z=79 (Au)
4
2
Détermination des différents éléments
présents à la surface en choisissant
l’énergie adéquate.
0
0
400
800
1200
1600
Energie primaire (eV)
16
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Dépendances du coefficient de réflexion élastique :
1
2. Dépendance angulaire (a = 0°)
1
Cu (Z=29)
0.8
0.6
0.4
0
1
0.4
0.2
0
0.8
0.2
0.6
0
20
40
60
Angle d'emission (degrés)
80
100
he dépend des angles d’émission
donc des angles de collection de
l’analyseur utilisé.
coefficient de reflexion élastique (%)
coefficient de reflexion élastique (%)
Cu (Z=29)
coefficient de reflexion élastique (%)
Au (Z=79)
Au (Z=79)
Ag (Z=47)
Ag (Z=47)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
Angle d'emission (degrés)
80
100
17
L’enseignement
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
La recherche
 Comparaison des résultats de notre simulation Monte-Carlo avec les
résultats publiés par d’autres auteurs.
0.06
h (%)
Si (200 eV)
0°
e

0.05
0.04
0.03
coefficient de reflexion élastique (%)
1
Cu (Z=29)
Dubus et al
Simulation MC
0.02
Si (200 eV)
0.8
1,5
0.01
Simulation MC

40°
1
A. Jablonski et al
0.6
0
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
1
Angle d'émission (°)
0.4
Bon accord entre ces
différentes simulations
0.2
0,5
Simulation MC
1
0
A. Jablonski et al
0
20
1A.
40
60
Angle d'emission (degrés)
80
0
100
Dubus, A. Jablonski, S. Tougaard,
Progress in Surface Science 63 (2000) 135-175
-80
1A.
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Jablonski, K. Olejnik, J. Zemek, 18
Electron spectros. Related. Phenom. 152 (2006) 100-106
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Détermination du libre parcours moyen inélastique li
 L’EPES associe à une simulation Monte-Carlo :
méthode très adaptée pour la détermination du paramètre li.
 Paramètre bien connu pour des éléments purs
 Très peu de travaux publiés sur les composés binaires
 Etudes dans le cadre d’un contrat européen COPERNICUS :
- semiconducteur III-V : InSb
- alliages binaires : AuxCuy
Mesures expérimentales obtenues
dans 4 laboratoires
Configurations expérimentales
différentes: Ep, a, angles de
collections (qout,jout)
19
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Semiconducteur III-V : InSb
Obtention du li par ajustement
simulation/expérience
- Mesures absolues + notre
simulation Monte-Carlo (RFA-C)
- Mesures relatives / Au + simulation
d’A. Jablonski (RFA-P et DCMA)
Comparaison avec les résultats
publiés par Tanuma et al1(TPP-2M),
Kwei et al2 et Gries3 (G1)
L’EPES : méthode adaptée pour la
détermination du li
indépendamment des conditions
expérimentales
1S.
Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf. Interface Anal. l7 (1991) 927.
2C.M. Kwei, L.W. Chen, Surf. Interface Anal. 11 (1988) 60.
20
3W.H. Gries, Surf. Interface Anal. 24 (1996) 38.
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Alliages binaires : AuxCuy
Détermination du li pour 3 alliages :
- Au25Cu75
- Au50Cu50
- Au75Cu25
Comparaison expériences/simulation :
- Mesures absolues + notre
simulation Monte-Carlo (RFA-C)
- Mesures relatives / Au + simulation
d’A. Jablonski (RFA-P et DCMA)
A l’aide de l’EPES associé à une
simulation MC :
détermination des li pour chaque alliage
1S.
Comparaison des résultats avec :
- la formule TPP2-M1
- la formule de Gries2
Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf. Interf. Anal. 21 (1994) 165. 21
Gries, Surf. Interface Anal. 24 (1996) 38.
2W.H.
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Etude quantitative de l’EPES :
 La méthode EPES : très sensible à la surface des matériaux
 Variation de l’énergie primaire des électrons
 Modulation de la sensibilité à la surface
Détermination de la
composition des différentes
couches superficielles de la
surface
 Voie plus appliquée : très peu de publications
 Etude des hétérostructures : Au/Al2O3/Si et Au/Al0/Al2O3/Si
 Etude du système AlxGa1-xAs.
22
 Etude d’un dépôt d’or sur une surface d’Al2O3 :
Au/Al0/Al2O3
Au/Al2O3
r (%)
6,0
5,0
r (%)
e
4,5
Al O
2
3
e
4,0
3,5
4,0
0
Al
3,0
3,0
2,5
2,0
1,0
0,0
0
2,0
Au
40
80
120
160
temps d'évaporation (min)
1,5
1,0
0
Au
40
80
120
temps d'évaporation (min)
160
Observation de 2 processus de condensation d’or sur des
surfaces d’alumine différentes
23
L’enseignement
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
La recherche
 Etude de l’hétérostructure Au/Al2O3/Si :
100
100
100
700 eV
500 eV
75
75
95 % : 3 couches
5% : 4 et +
100 % : 3 couches
50
25
h (%)
900 eV
75
50
50
25
25
88% : 3 couches
12% : 4 et +
e
6
0
1
2
0
0
3
4
5
6
7
1
couches atteintes (MC)
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
couches atteintes (MC)
couches atteintes (MC)
4
Au/Al O /Si
2
3
Alumine
Or
Présence de 3 MC
d’or pur à la surface
2
0
0
300
600
900
Energie primaire (eV)
1200
1500
24
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Etude d’un système AlxGa1-xAs
h (%)
e
6
6
- Etude EPES de 4 échantillons
ayant différentes concentrations
en aluminium
0401
0402
0403
0404
GaAs
AlAs
4
4
- Simulation Monte-Carlo : GaAs
et d’AlAs.
2
0
200
2
400
600
800
1000
1200
1400
0
1600
he entre les deux valeurs
extrêmes GaAs et AlAs
Energie primaire (eV)
25
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Etude d’un système AlxGa1-xAs
- Interpolation linéaire entre les valeurs du GaAs et de l’AlAs
- Estimation de la concentration en Al de 4 échantillons pour chaque énergie
 C ( A, E)
( A) 
j
Echantillon
AlxGa1-xAs
Composition en Al
(mesures EPES)
Composition en Al
(mesures RHEED)
401
0.36  0.08
0.4
402
0.25  0.07
0.23
403
0.20  0.09
0.19
404
0.21  0.07
0.20
Al
Al
Cmoy
E
1, E
Bon accord entre les mesures MM-EPES et RHEED
26
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Effet de la rugosité de surface sur les mesures EPES
 Description de la rugosité de surface
 Facteur très difficile à contrôler expérimentalement
 Très complexe à décrire à l’aide d’un formalisme mathématique
 Code de simulation Monte Carlo :
N : normale à la surface de référence
adapté à une surface Si possédant
des créneaux (H,)
N1 : normale à la
pente de gauche
H = 6 mm et  =70°
N2 : normale à la
pente de droite
’
H

2l
Surface de référence
27
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Définition de l’ombrage direct et indirect
Région 2 :
Electrons détectables
Analyseur HSA
Electrons
primaires
Région 3 :
Electrons non
détectables
xq
out
Région 1 :
Electrons non
détectables
Ombrage
indirect
Ombrage
indirect
Ombrage direct

h
L
2l
Surface de référence
28
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
 Effet de l’ombrage direct et indirect
région 3


région 2
région 1


1.2
0°

0.8
région 3
e
h (%)
1
he : surface
L’effet d’ombrage
rugueuse sans
augmente
ombrage
he : surface
avec rugueuse
l’angle d’incidence
avec ombrage

E=200 eV
0.6

région 2

région 1

2

40°
0.4
1.5
e
h (%)
0.2
0
-100
1
-50
50
0
Angle de collection (°)
100
E=200 eV
0.5
Effet d’ombrage
0
-100
-50
0
50
Angle de collection (°)
100
29
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
E= 200 eV
a20
a0
a0
a0
a0
55
Simulation MC d’une surface plane
Simulation MC d’une surface rugueuse
Points expérimentaux publiés1 pour une
surface rugueuse
44
E
II (u.a.)
(u.a.)
EE
33
E= 500 eV
a0
a20
a0
a0
a0
22
5
11
4
0
00
-100
-100
-100
-50
-50
-50
00
0
50
50
50
100
100
100
3
E
Pour une surface rugueuse: simulations
et expériences en bon accord
I E(u.a.)
Angle de
de collection
collection (°)
(°)
Angle
2
80°
60°
40°
20°
0°
1
Augmentation de l’écart entre les 2 types de
surface avec l’angle d’incidence des électrons
0
-100
-100
-50
-50
00
50
50
50
100
100
100
Angle
Angle de
collection (°)
(°)
de collection
1A.
Jablonski, K. Olejnik, J. Zemek, Electron spectros. Related. Phenom. 152 (2006) 100-106
30
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse de surfaces
Conclusions et perspectives sur l’EPES
 L’EPES :
 Méthode : - sensible à la surface des matériaux
- complémentaire aux autres spectroscopies
 Méthode adaptée pour la détermination :
- du libre parcours moyen inélastique li
- des différentes couches superficielles de la surface
 Les valeurs de he dépendent :
 de l’énergie primaire des électrons
 des angles d’incidence et de collection de l’analyseur
 de l’état de la surface : la rugosité
 Présentation des premiers résultats sur une surface rugueuse :
 Etendre l’étude à d’autres matériaux, à d’autres types de rugosités
 Prise en compte des excitations de surface ou plasmons de surface :
 nouveau code de simulation (thèse en cours)
31
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Partie 2. Elaboration de couches ultra-minces de nitrure
d’indium sous ultra-vide et caractérisation in-situ par
spectroscopies électroniques (AES, EPES, XPS)
 Les nitrures d’éléments III (GaN, InN): Domaines
Contexte de l’étude :
d’applications
 En optoélectronique : lasers UV et bleus
 En électronique : applications à haute température et
à haute puissance
 Expertise « III-V » de l’équipe :
surface de l’InP(100), passivation par Sb :InSb/InP
 La nitruration de la surface InP(100) :
 Amélioration de la qualité de l’interface (couche tampon)
 Fabrication de films minces d’InN sur InP
32
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Collaboration avec l’université Charles de Prague :
 Conception et réalisation d’une source d’azote à décharge haute tension
 Deux runs au synchrotron ELLETRA de Trieste (Italie)
Dissociation de la molécule d’azote :
HT
N2
N2+, N+, N, N2
Material Science Beamline
(MSB)
Bride CF40
Enceinte
ultra-vide
HT
(+2 kV)
N, N+
N2+, N2
Tube en
quartz
Cylindre d’inox
porté à une haute
tension
N2
33
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Etape 1 : Création d’îlots d’indium métallique
Après bombardement ionique de la surface InP(100)
Ar+
25%
4 MC
P
In
h=4MC, q=25%
Cristallites d’indium métallique
de taille nanométrique
Rôle de précurseurs pour la
nitruration
34
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie SR-XPS :
25%
4
3
4 MC
5
2
1
6
1
2
3
Calculs des intensités théoriques du
signal des atomes d’indium :
6
5
I3  I4
Rapport : I
1
4
environnements

a
a5 
i
I1   0.75
 0.25
chimiques
des atomes
2
2  In
1

a
1

a
 d’indium



 0.25
a  0.25 a  i
environnements
I 2  0.25 a 3 iIn
I3
2
In
chimiques
des atomes
I 4  0.25
iIn
de phosphore
35
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie SR-XPS :
hn=50 eV
environnement 3 (In-In volume)
In4d
6
environnement 6 (P-In volume)
1
environnement 5 (P-In surface)
P2p
environnement 4 (In-In surface)
environnement 1 (In-P volume)
4
intensité (u.a.)
intensité (Cps)
h n =190 eV
5
3
20
19
18
17
énergie de liaison (eV)
16
I3  I4
Rapport : I
1
131
130
129
énergie de liaison (eV)
128
127
R(théorie)= 0,85
R(Expér.) = 0,84
Cohérence entre théorie et expériences :
Validation des paramètres de décomposition et de
la description des différents environnements
36
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Étape 2 : Réalisation de 2 couches d’InN/InP(100)
T=250°C
Etape 1 :
Après
bombardement
ionique
Etape 2 :
1ère nitruration
Etude en fonction de :
L’angle du flux d’azote / à la surface
Temps de nitruration
37
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
Les contributions P-In et P-N
 avant nitruration :
après nitruration :
3 gaussiennes : correspondants aux
liaisons P-In (triplet Auger du P)
6 gaussiennes : 3 pour les P-In et
3 pour les P-N.
1.2
0.4
R=0,99
40min
A
1
0.3
P-In
0.8
N(E) (u.a.)
N(E) (u.a.)
P-In
B
0.6
P-N
0.2
C
0.4
0.1
0.2
0
0
70
80
90
100
110
120
énergie cinétique (eV)
130
140
70
80
90
100
110
120
130
Energie cinétique (eV)
38
L’enseignement
l’ EPES : Méthode d’analyse
La recherche
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
RP N / P
Surfacedes gaussiennes relativesauxliaisonsP  N


RP In / P
Surfacedes gaussiennes relativesauxliaisons P  In


Aire totaledu pic Augerdu phosphore
Aire totaledu pic Augerdu phosphore
Proportion des liaisons P-In et P-N dans la totalité du pic Auger du phosphore
1
1
Flux normal
R
R
40 min
P-In/P
P-In/P
0.8
0.8
rasant
FluxFlux
rasant
0.6
0.6
R=0.5
R=0.5
0.4
0.4
0.2
0.2
R
R
P-N/P
P-N/P
40 min
0
0
0
10
20
30
40
50
Temps de nitruration (min)
60
70
0
10
20
30
40
50
Temps de nitruration (min)
60
70 39
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
RP N / PIn
Surfacedes gaussiennes relativesauxliaisons P  N


 Surfacedes gaussiennes relativesauxliaisonsP  In
Proportion des liaisons P-N formées par rapport aux liaisons P-In
2
40 min
Moins de liaisons P-N formées
sous un flux rasant
rapport (u.a.)
1.5
R=1.2
Flux rasant
1
0.5
Flux normal
0
0
10
20
30
40
50
Temps de nitruration (min)
60
70
40
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
Transitions Auger de l’indium et de l’azote
N(E) (u.a.)
0,02
Au cours de la nitruration :
0,016
Apparition du pic Auger
de l’azote
0,012
ère
1
nitruration
0,008
Décalage en énergie du pic
Auger de l’indium
0,004
Après Ar
+
0
340
360
380
400
420
440
Energie cinétique (eV)
41
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
Décalage de la pic Auger de l’indium
0
rasant
normal
-0,5
Décalage Auger (eV)
-1
Variations différentes suivant
l’angle du flux
-1,5
-2
-2,5
Différence d’électronégativité
des espèces présentes
-3
-3,5
-4
0
10
20
30
40
50
60
70
Temps de nitruration (min)
Processus optimal de nitruration :
P
In P 
EIn

E

2
E
 In P
C
M
N
N
EC  EIn

C
40Inmin
sous
flux
rasant
N
EC N  EM  2 EIn

N

In
P
In
N
42
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie SR-XPS
Atomes d’azote
Atomes d’indium
Atomes de phosphore
7
9
8
Nouveaux environnements
chimiques des atomes d’indium
Nouvel environnement chimique
des atomes de phosphore
43
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie SR-XPS
niveau de cœur P2p
■ Intensité théorique du signal provenant
des atomes d’indium du substrat d’InP :
hn=190 eV
P-In
a
1a
2
1
0,8
i In
Intensité théorique du signal provenant
des atomes d’indium des couches de
P-N
nitrure :
■

I' 0.5 1  α  ... α
h 1
i
0,6
40min
0,4
20min
60min
0,2
In
0
134
InP(volume)
InN(volume)
InN(surface)
InIn(volume)
hn=50 eV
intensité (u.a.)
intensité (u.a.)
I
h 1
niveau de cœur In4d
I/I'
132
130
énergie de liaison (eV)
I/I’= 0.6
128
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
h (nombre de monocouches)
20
19
18
17
énergie de liaison (eV)
3,5
16
2 couches d’InN/InP(100)
44
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
■ Le processus de nitruration dépend fortement :
- du temps d’exposition au flux d’azote
- de l’angle d’incidence du flux/ surface
■ Efficacité du processus maximale : 40 minutes à angle rasant
Epaississement des couches
de nitrure : création de 4
couches d’InN/InP(100)
Passivation thermique :
étude du recuit des couches
nitrurées
45
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Etapes 3 et 4 : Réalisation de 4 couches d’InN/InP(100)
Etapes de
la nitruration
Etape 1 :
Après
bombardement
ionique
Etape 2 :
1ère nitruration
(40 min)
Etape 3 :
Après dépôt
d’In
Etape 4 :
2ème nitruration
(40 min)
46
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
N(E) (u.a.)
Transitions Auger de l’indium et de l’azote
0
Ilots d'In
Dépôt d'In
-0,5
nitruration
Après dépôt d'In
ère
1
-1
Décalage Auger (eV)
ème
2
-1,5
-2
-2,5
-3
nitruration
Après Ar
-3,5
+
-4
340
360
380
400
4InN
2InN
420
440
1
2
3
4
Etapes du processus de nitruration
Energie cinétique (eV)
Valeurs permettant de
suivre les différentes étapes
du processus de nitruration
47
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie Auger
2
Evolution des rapports expérimentaux
RP-N/P-In et RP-N/P, RP-In/P
RP-N/P-In
1.5
R=1.2
1
1
R
P-In/P
0.8
0.5
0.6
R=0.5
0
1
2
3
4
Etapes du processus de nitruration
0.4
0.2
Comparaison expérience/modélisation
Création de 4 couches d’InN/InP(100)
R
P-N/P
0
1
2
4
3
Etapes du processus de nitruration
48
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Etude du recuit des structures InN/InP(100) :
 Suivi par spectroscopie SR-XPS
5
1,2 10
In
InP nitruré
+ nitruré
chauffé
InP
InP nitruré
4d
5
Intensité (u.a.)
1 10
Recuit T = 450 °C
(Température de congruence
de l’InP : 380°C)
4
8 10
4
Pas dévolution significative du
pic In4d entre nitruré et nitruré
recuit
6 10
4
4 10
4
2 10
Passivation thermique de la
surface
0
20
19
18
17
17
16
16
Energie de liaison (eV)
49
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par spectroscopie SR-UPS
800
InP(100) nitruré
3.5 eV
5 eV
Pas de changements significatifs de la BV
700
en fonction de l’énergie du faisceau
hn = 43 eV
9 eV
3600nouvelles structures après la nitruration :
3,5 eV – 5 eV et 9 eV
500
Structures plus marquées après le recuit
400
Intensité (u.a.)
InN/InP
InN/InP recuit
InP bombardé
43 eV
45 eV
10.3 eV
6 eV
2 eV
47 eV
300
50 eV
53 eV
Arrangement ou cristallisation des
57 eV
200
couches
nitrurées sous l’influence du
61 eV
chauffage
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
Energie de liaison (eV)
66 eV
100
72 eV
5eV
9 eV
14
12
10
8
6
77 eV
4
2
Energie de liaison (eV)
0
-2
50
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
 Suivi par diffraction d’électrons lents (LEED) :
Structure (4x2) : déjà observée sur
une surface d’InP(100) riche indium
Structure principale (4x1) : attribuée
aux couches d’InN formées sur la
surface d’InP(100).
Epaisseur de l’InN très faible.
Couche contrainte par le substrat
InP(100).
1x4
2x4
51
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Détermination de l’offset de bandes à l’interface InN/InP(100) :
Mesure de la discontinuité de la bande de valence DEv à l’interface
InN/InP par SR-XPS:


InP
InN
DEv  DECL  EInInP4d  EVBM
 ( EInInN4d  EVBM
)
DEv  1.09eV
Calculs utiles pour
interpréter les
mesures électriques
I(V) et C(V)
52
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Conclusions sur l’élaboration de couches minces d’InN/InP(100)
 Méthode originale de nitruration de surfaces InP(100)
 Epaississement des couches de nitrures
 Recuit à 450°C des couches de nitrures : Passivation thermique
de la surface
Les spectroscopies d’électrons + modèles théoriques :
compréhension des phénomènes de surface.
53
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Perspectives
Perspectives : Réalisation de nano-pores organisés sur InP(100)
 Réalisation de masques d’alumine AAO
 Suivi par MEB
 Suivi par spectroscopie électronique XPS
Masque AAO
100 nm
100 nm
Nanopores InP(100)
54
l’ EPES : Méthode d’analyse
Intensité (u.a.)
La recherche
Couches minces d’InN
Intensité (u.a.)
L’enseignement
P
2p
Perspectives
P
2p
P-In
P-In
P-oxyde
135
130
125
Intensité (u.a.)
Energie de liaison (eV)
135
130
125
Energie de liaison (eV)
Al
2s
P
2p
Premiers résultats obtenus en XPS :
Suivi du pic P2p
Al ??
150
145
140
135
130
125
Energie de liaison (eV)
120
115
55
l’ EPES : Méthode d’analyse
Intensité (u.a.)
La recherche
In
Couches minces d’InN
Intensité (u.a.)
L’enseignement
4d
Perspectives
In
4d
In-P
In-P
In-In
In-oxyde
24
22
20
18
16
14
Intensité (u.a.)
Energie de liaison (eV)
24
22
20
18
16
14
Energie de liaison (eV)
In
4d
+
t = 2h Ar
Premiers résultats obtenus en XPS :
Suivi et décomposition du pic In4d
In-P
In-In
24
22
20
18
Energie de liaison (eV)
16
14
56
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Perspectives
 Les masques AAO permettent de réaliser :
 des trous de tailles nanométriques
 ayant une configuration contrôlée
 Étude plus poussée en faisant varier :
 l’énergie des ions
 le temps de bombardement
 le diamètre des pores
 Modélisations à développer – Expérience XPS
 Premiers résultats très prometteurs permettant d’envisager :
 la croissance de piliers d’InN sur InP(100)
 la réalisation de boites enfouies d’InN
57
L’enseignement
La recherche
l’ EPES : Méthode d’analyse
Couches minces d’InN
Synthèse des travaux
Travaux écrits:
■ 5 Mémoires de Master et 4 Thèses (dont 1 en cours)
■ 38 publications dans des journaux internationaux
Contrats, programmes associés à ce travail :
■ Programme Européen 6ème PCRDT : COPERNICUS (1997-2002)
■ Runs au Synchrotron ELLETRA (Italie) :
- Materials Science Beamline (MSB) (2003 et 2005)
■ Programme d’Action Intégrée (PAI) :
- POLONIUM : Institut Physique-Chimie de Varsovie (2002-2004)
- BARRANDE : Université Charles de Prague (2000-2001)
- CMEP : université Sidi Bel Abbès (1997-2002 et 2006-2009)
- CMCU - France/Tunisie (1998-2000 et 2004-2006)
■ Echanges ERASMUS (2003)
■Conventions Massif-Central et Innov@pôle (programme TIMS)
58
Christine ROBERT-GOUMET
L’EPES : méthode d’analyse de surfaces;
expériences et modélisations
Etude de l’hétérostructure InN/InP(100) par
spectroscopies électroniques
Habilitation à Diriger des Recherches
Pr. A. Dubus : Faculté des Sciences appliquées de Bruxelles
Pr. G. Lelay, Université de Provence, Marseille
Pr. B. Gruzza, Université Blaise-Pascal, Clermont-Fd
Dr. G. Gergely, Académie des Sciences de Hongrie, Budapest
Pr. V. Matolin , Université Charles, Prague
Pr. L. Bideux , Université Blaise-Pascal, Clermont-Fd
59
60