Electromechanical couplings and growth instabilities in semiconductors

par Laurent Guin

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

  • Titre traduit

    Couplages électromécaniques et instabilités de croissance dans les semi-conducteurs


  • Résumé

    Ces dernières décennies, la mécanique des solides est allée au-delà de ses problématiques originelles ayant trait aux propriétés mécaniques des matériaux et des structures pour embrasser des questions issues d'autres champs scientifiques et en particulier de la physique. Les semi-conducteurs, matériaux de base de tous les dispositifs électroniques, sont un bon exemple où des solides cristallins présentent des couplages multiphysiques. En effet, la mécanique y joue un rôle important, à la fois dans le processus de fabrication et dans l'utilisation des dispositifs électroniques. Dans ce travail, nous examinons ces deux aspects en étudiant dans une première partie les couplages entre les phénomènes de transport électronique et les déformations mécaniques et dans une seconde partie les instabilités morphologiques qui apparaissent lors de la croissance épitaxiale des semi-conducteurs.Premièrement, en développant une théorie entièrement couplée des semi-conducteurs déformables qui inclut les champs mécaniques, électrique et électroniques, nous montrons, pour la première fois, l'existence d'une contribution électronique à la contrainte mécanique. Alors que pour les semi-conducteurs cristallins cette contribution est faible, l'effet des déformations sur le transport électronique demeure important par les modifications qu'elles induisent sur les niveaux d'énergie de bandes, les densités d'états et la mobilité des électrons et des trous. Compte tenu de l'avènement de nouvelles technologies d'électronique flexible, nous mettons en pratique la théorie générale pour calculer, au moyen de développements asymptotiques, l'effet de la flexion - qui entraîne des déformations non uniformes - sur la caractéristique courant-tension d'une jonction p-n, la brique élémentaire des cellules solaires. Pour compléter ce tableau, nous mesurons les changements induits par des contraintes uniaxiales sur la caractéristique électronique de cellules solaires silicium à hétérojonction.Dans la deuxième partie de ce travail, en descendant à l'échelle atomique, nous étudions le phénomène de la croissance épitaxiale sur des surfaces vicinales. Sur ces surfaces, le cristal croît par propagation de marches atomiques, qui peuvent développer de la mise en paquets, une instabilité par laquelle l'espacement régulier entre marches est brisé, donnant lieu à un motif alternant entre de larges terrasses atomiques et des paquets de marches. Au travers d'une analyse de stabilité linéaire exhaustive des équations de la dynamique des marches, nous discutons de l'influence de chaque mécanisme physique sur l'instabilité de la mise en paquets. En particulier, nous clarifions l'incidence sur la stabilité de la dynamique, de l'effet de saut d'adatomes ainsi que de l'élasticité, au-delà de l'hypothèse d'interactions de plus proches voisins. De plus, nous montrons que nos résultats généraux de stabilité, c'est-à-dire obtenus sans négliger les termes dynamiques, sont significativement différents de ceux obtenus avec l'approximation quasi-statique, et ce, même dans les régimes de déposition ou d'évaporation lentes où cette dernière était considérée comme suffisante. Non seulement intéressants d'un point de vue théorique, ces nouveaux résultats fournissent des explications possibles pour certains cas de mise en paquets observés sur le silicium et l'arséniure de gallium. Compte tenu de ces nouveaux aspects, nous réexaminons le phénomène de la mise en paquets sous électromigration et montrons que les effets de saut d'adatomes et de la dynamique n'affectent pas la dépendance de la stabilité à la direction du courant d'électromigration.Enfin, nous étudions les propriétés mécaniques, à l'échelle atomique, d'un autre matériau cristallin aux propriétés semi-conductrices, le graphène polycristallin. En utilisant des simulations de dynamique moléculaire, nous développons un modèle de zone cohésive pour la rupture le long des joints de grains.


  • Résumé

    In the last decades, solid mechanics has gone beyond its original issues of mechanical properties of materials and structures to embrace problems coming from other scientific fields and in particular physics. Semiconductors, the base materials of all electronic devices, are a prime example where crystalline solids show multiphysics couplings. Indeed, mechanics plays there an important role both in the fabrication process and in the operation of electronic devices. In this work, we examine these two aspects by studying first the couplings between electronic transport phenomena and mechanical deformations and second the morphological instabilities that develop in semiconductor epitaxial growth.First, developing a fully-coupled theory of deformable semiconductors that includes mechanical, electrical and electronic fields, we show for the first time the existence of an electronic contribution to mechanical stress. While for crystalline semiconductors this contribution is weak, the effect of strains on electronic transport remains significant through their modification on band energy levels, density of states and mobility of electrons and holes. Considering the advent of new technologies of flexible electronics, we apply the general theory to compute through asymptotic expansions, the effect of bending -causing non-uniform strains- on the current-voltage characteristic of a p-n junction, the basic device of solar cells. To complete this picture, we measure the changes induced by uniaxial stresses on the electronic characteristic of a silicon heterojunction solar cell.In the second part of this work, going down to the atomic scale, we consider the problem of epitaxial growth on vicinal surfaces. On these surfaces, the crystal grows through the propagation of the atomic steps, which may develop step bunching, an instability whereby the regular step spacing breaks down, resulting in an alternating pattern of wide atomic terraces and step bunches. Through a comprehensive linear stability analysis of the step dynamics governing equations, we discuss the influence of each physical mechanism on the step bunching instability. In particular, we clarify the impact on stability of the dynamics, of the recently pointed out adatom jump effect, and of elasticity, beyond the assumption of nearest-neighbor interactions. In addition, we show that our general stability results, i.e., obtained without neglecting the dynamics terms, are significantly different from those derived with the quasistatic approximation, even in regimes of slow deposition or evaporation where the latter was considered sufficient. Not only valuable from a theoretical prospective, these new results provide possible explanations for some cases of step bunching observed in silicon and gallium arsenide. In view of these new aspects, we reexamine the problem of step bunching under electromigration and show that the adatom jump and dynamics effects do not affect the stability dependence on the direction of the electromigration current.Finally, we investigate the mechanical properties at the atomic scale of another crystalline material with semiconducting properties, polycrystalline graphene. Using molecular dynamic simulation, we develop a cohesive zone model for fracture along grain boundaries.


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