Caractérisation de couches minces de ZnO élaborées par la pulvérisation cathodique en continu

Characterization of direct current sputtered ZnO thin films

• Auteur / Autrice : Liu Yang
• Direction : Joël Gest, Gérard Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 21/09/2012
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de dynamique et structure des matériaux moléculaires
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Carru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : L.K.J. Vandamme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yamin Leprince-Wang, Jean-Marc Routoure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Pulvérisation cathodique

Couches minces métalliques

Oxyde de zinc

Mots clés libres

Oxyde de Zinc

Couche mince

Pulvérisation cathodique en continu

Structurale

Morphologique

Electrique

Bruit en 1/f

Optique

Thermique

Zinc oxide

Thin film

Direct current sputtering

Structural

Morphology

Electrical

1/f noise

Optical

Thermal

Résumé

Ce mémoire concerne un ensemble d'élaboration et de caractérisation de couches minces à base de ZnO par la pulvérisation cathodique en continu. L'étude structurale montre que le traitement thermique lors du dépôt et post-dépôt à l'air ont une influence similaire sur l'augmentation de la taille de cristallites jusqu'à une température de 250°C. À partir de cette température critique, la taille des cristallites continue à augmenter en fonction de la température de recuit, alors qu'elle diminue légèrement avec la température de dépôt. L'étude morphologique montre que le traitement thermique lors du dépôt a une influence plus marquée sur la rugosité que celui à l'air de l'ambiante à 470°C. En fonction de la température de dépôt la résistivité électrique en continu diminue lorsque celle-ci augmente. Ce phénomène est directement lié à la qualité de la structure cristalline des films. À l'inverse, le recuit post-dépôt à l'air rend le film plus résistif. La deuxième partie de ce travail porte sur des mesures de bruit en 1/f. Nous montrons que le bruit est très sensible à la température de dépôt et à l'orientation des cristallites dans le matériau. Le bruit obtenu dans le sens transversal est plus élevé que celui obtenu dans le sens longitudinal. De plus, le bruit mesuré en présence de lumière peut être beaucoup plus élevé. Par un modèle simple, nous avons montré que ce phénomène est relié à la photoconductivité et à la présence de défauts en surface du matériau. Enfin, une technique photothermique par radiométrie unfrarouge a été utlilisée pour effectuer une caractérisaiton thermophysique du matériau. Cette technique permet de déterminer les paramètres optiques et thermiques de l'échantillon. Une étude théorique de l'évolution du signal photothermique en fonction de la fréquence de modulation a permis de mettre en évidence les conditions dans lesquelles on peut mesurer ces paramètres avec précision.

This memory relates to prepare and study the direct current sputtered ZnO thin films.The structural analysis shows that the heat treatments during the deposition and after deposition in air have the similar influence to increase the grain size until 250 °C. From this critical temperature, the grain size increases when the annealing temperature increases, while it decreases slightly with increasing deposition temperature. The morphology study shows that the deposition temperature has a more significant influence on the surface roughness than that in air from room temperature to 470°C. The elctrical resistivity decreases when the deposition temperature increases, which could be mainly due to the quality of the structure. On the contrary, the annealing in air after deposition degrades the film electrical resistivity. The second part of the electrical study is the 1/f noise measurement. The resuts show that the noise is very sensitive to the deposition temperature, which influence directly the samples crystal structure. The value measured in different directions, parallel or perpendicular to the growth orientation, are different. Furthermore the noise density could be much higher under UV illumination, which is explaines by a developed model based on the film photoconductivity and the defects in the material. The photothermal infrared radiometry has been used to analysis the material thermophysical characterization. This technique permits to determine the optical and thermal parameters of the sample. The theoretical study of the photothermal signal evolution as a functionof the modulated frequency has shown the conditions where the parameters could be measured accurately.