Etude de la nitruration de surfaces de GaAs (1,0,0)

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

2. Pourquoi ce sujet? 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.

3. Objectifs 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

4. Processus de nitruration 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

5. Présentation du bâti UHV

6. Chambre de préparation Porte-échantillon chauffant

7. Chambre d’analyse

8. Spectroscopie XPS Principe : rayon X photoélectrons électrons Auger photons X Echantillon

9. Analyse des spectres 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.

10. Préparation de la surface initiale Nettoyage chimique ex situ Bombardement par jet d’ion Ar+ in situ Bains de H2SO4 sous ultrasons Bains d’eau désionisée Bains de méthanol Energie : 1000eV Durée : 1h 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.

11. Après processus de nitruration 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

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

13. Modèle « couche par couche » du GaN 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 IN IAs et IGa

14. Calcul du nombre de couches 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

15. Méthode DFT 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.

16. Ansatz de Kohn-Sham 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

17. Résolution des équations de KS Processus itératif dit méthode du champ auto-cohérent :

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

19. Construction de la lamelle GaAs 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.

20. Résultats ABINIT utilise un paramètre de maille référent unique. Entre les deux modèles créés, seules les positions initiales des atomes diffèrent. Paramètres de maille : Amélioration : réussir à créer deux paramètres de maille différents dans un même calcul. 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.

21. Conclusions 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.

22. Perspectives 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 semi-conducteur permettant de réaliser des transistors plus efficaces En utilisant un masque poreux d’alumine, la création de boîtes quantiques enfouies est aussi envisageable.

23. Merci de votre attention