Master's Internship Presentation

1. Matre de stage : Christine R OBERT -G OUMET Encadrants : Christine R OBERT -G OUMET Guillaume M ONIER Philip H OGGAN Stage de Master 1 Soutenance du 26 Juin 2012 1

2. Les semi-conducteurs III-V sont trs utiliss en microlectronique et en optolectronique. 2 Les III-N sont trs recherchs pour leur grand gap direct. Cependant leur croissance est complexe du fait de leur grande diffrence de paramtre de maille par rapport aux autres semi-conducteurs. Pour une reprise dpitaxie dans des conditions optimales, il faut une excellente qualit de surfaces et dinterfaces. Une solution est de nitrurer les semi-conducteurs III-V.

3. Objectifs du stage : Caractriser le processus de nitruration du GaAs (100) sous UHV 3 Matriser ltude de matriaux sous ultra-vide et la caractrisation de surfaces par la mthode XPS Dterminer lpaisseur de nitrure partir dune modlisation des rsultats XPS Modliser thoriquement les phnomnes mis en jeu au cours de la nitruration par la mthode DFT

4. 4 La nitruration est un procd durant lequel les surfaces sont exposes un flux dazote actif. Atome N Atome Ga Atome As Flux dazote produit par une source type GDS travaillant 5W. Temprature leve 500C

5. 5

6. Porte-chantillon chauffant 6

7. 7

8. 8 Principe : photons X lectrons Auger photolectrons Echantillon rayon X

9. 9 Chaque pic du spectre caractrise latome metteur. La dcomposition dun pic nous donne les liaisons chimiques de latome metteur. Lintensit dun pic est proportionnel la concentration de lespce chimique quil symbolise.

10. 10 Nettoyage chimique ex situ Bains de H 2 SO 4 sous ultrasons Bains deau dsionise Bains de mthanol Bombardement par jet dion Ar + in situ Nous obtenons une surface riche en gallium. Aucun pic O 1s nest dtect. Dcomposition du pic Ga 3d : prsence de gallium mtallique. Dcomposition de lAs 3d : prsence de liaisons As-Ga uniquement. Energie : 1000eV Dure : 1h

11. 11 Spectres dun chantillon nitrur pendant 30 minutes Disparition du Ga mtallique avec apparition de liaisons Ga-N Absence de liaisons As-N et N-As O prsent dans le rseau GaN Conditions de nitruration : p=10 -3 Pa, E=2450eV, T=500C

12. Terme dattnuation 12 Intensit dun pic : Au final : Constante lie aux conditions danalyse Flux de photons incidents Section efficace dionisation Angle entre la normale la surface et laxe de collection Facteur de symtrie orbitale Fonction de transmission du spectromtre Libre parcours moyen inlastique Concentration des atomes

13. 13 Les calculs thoriques nous donne, pour le modle 1 : I Ga I As I N I Ga Utilisation des rapports pour comparer la thorie et lexprience et Nitruration de GaAs (100) Plans constitus dun seul type datome

14. 14 Plus lexposition est longue, plus lpaisseur est grande. Lexprience tend tre plus proche du second modle. Courbe thorique de la variation des rapports dintensit en fonction du nombre de couches Perspective : prise en compte de loxygne dans les modles Temps dexposition : Echantillon 1 : 5 minutes Echantillon 2 : 30 minutes Echantillon 3 : 1 heure

15. 15 DFT : Reformulation dun problme quantique N corps en un problme monocorps dont le seul paramtre est la densit lectronique totale de ltat fondamental. En 1964, P. Hohenberg et W. Kohn dmontrent que lnergie de ltat fondamental dun systme N lectrons est une fonctionnelle unique de la densit lectronique totale . Leurs thormes sont utilisables laide des quations de Kohn- Sham.

16. 16 W. Kohn et L. Sham remplace le systme dlectrons en interaction par un systme dlectrons indpendants dans un potentiel externe. Cela leur a permis de dfinir les quations de Kohn-Sham. Equation de Kohn-Sham : Choix dapproximation pour la fonction dchange-corrlation : LDA : modle du gaz uniforme dlectrons La densit est uniforme GGA : systme inhomogne Prise en compte de la densit et de son gradient Intrt pour de fortes variations de densit

17. 17 Processus itratif dit mthode du champ auto-cohrent :

18. 18 ABINIT : logiciel utilisant la DFT pour un systme priodique et permettant des calculs Car- Parrinello sur une base dondes planes. Mthode de Car-Parrinello : dynamique molculaire ab-initio qui donne une masse fictive aux orbitales lectroniques. Cela permet lcriture dun Lagrangien qui donne les quations du mouvement : Contraintes du systme Orbitales lectroniques Nuclons

19. 19 Cration dune lamelle de GaAs de structure blende de zinc comportant 3 mailles entires dpaisseur. Reprise des fichiers existants pour les calculs DFT.

20. 20 Paramtres de maille : Dmonstration de la diffusion darsenic vers des sites libres lintrieur du rseau et de la diffusion dazote leurs places. Jet dazote (avec 13 atomes) : Diffre de lexprience donc la nitruration doit tre un phnomne squentiel. ABINIT utilise un paramtre de maille rfrent unique. Entre les deux modles crs, seules les positions initiales des atomes diffrent. Amlioration : russir crer deux paramtres de maille diffrents dans un mme calcul.

21. 21 Daprs nos tudes XPS : Daprs nos tudes par DFT : la surface initiale est riche en gallium; mise en vidence de la diffusion de larsenic et de lazote. les liaisons Ga-Ga prsentes sur la surface aprs le nettoyage, sont entirement transformes en liaisons Ga-N ou Ga-O en moins de 30 minutes; plus lexposition au plasma dazote est longue, plus lpaisseur de la couche de GaN est grande mais cette volution nest pas linaire; prsence doxygne considr comme un polluant dans la matrice de GaN. nous pouvons modliser des mailles GaAs et GaN;

22. 22 Aprs avoir approfondie ltude de la nitruration de GaAs (100), il faudra dvelopper des modles pour des surfaces de type GaAs (110) et (111). Stabiliser linterface GaN/GaAs afin de raliser une reprise dpitaxie pour la fabrication de diodes mettant dans lultraviolet En utilisant un masque poreux dalumine, la cration de botes quantiques enfouies est aussi envisageable. La cration de films minces de GaN sur GaAs pourra servir : Passiver des nanofils pour raliser des pointes STM Augmenter le taux de recombinaison des lectrons dans le semi- conducteur permettant de raliser des transistors plus efficaces