Nanoscale controlled surface engineering of polyphosphazene type films as a passivation support for III-Vs

par Patie cendra Rakotoarimanana

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Anne-Marie Goncalves.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires / fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Lavoisier de Versailles (laboratoire) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 10-09-2018 .


  • Résumé

    Les dispositifs basés sur InP (III-Vs) souffrent d'instabilités chimiques interfaciales ou superficielles en raison de l'oxydation spontanée de leur surface. Au sein du groupe EPI a été développée et maitrisé la formation d'un film de type polyphosphazène par voie électrochimique sur un semiconducteur III-V (InP) dans l'ammoniac liquide à -55°C. Ce film a une remarquable stabilité chimique (suivie par XPS) et physique (en cours d'analyse par photoluminescence résolue en temps, une collaboration avec IRDEP, Institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque). Elle génère une passivation empêchant l'oxydation de la surface d'InP. Ce procédé de passivation offre une multitude d'opportunités d'études sur le comportement des III-V. La passivation d'InP sera comparée à des approches CVD plus conventionnelles. Basée sur la chimie et l'électrochimie des interfaces, cette thèse combine des aspects fondamentaux et pratiques. Elle propose une approche originale pour suivre la passivation des composants microélectroniques et optoélectroniques III-V. L'un des points clés sera d'explorer l'étape de nucléation-croissance du film. Nos premiers résultats indiquent un pavage progressif de la surface avant d'atteindre la couverture complète dont la cinétique dépend du support. La thèse permettra de comprendre la sélectivité de la croissance de ce film en fonction du support matériel: divers III-V et une ouverture vers II-VI, famille de semi-conducteurs inexplorés jusqu'à présent. L'idée est de générer de façon contrôlée des hétérogénéités chimiques dont la nature influence la croissance du film. La texture de surface chimique sera obtenue par modification locale ou totale par photo-oxydation ou par masquage lithographique (collaboration C2N, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies). Cette conception d'électrode fournira la formation de vitesses contrôlées de passivation de polyphosphazène, qui seront le point de départ pour des études électrochimiques, des dépôts de métal par électrodéposition ou des séquences de fonctionnalisations localisées par des groupes organiques (collaboration avec le groupe d'Electrochimie et Synthèse Organique ESO de l'ICMPE). La thèse permettra la formation de multi-structures à l'échelle nanométrique. Ces nouvelles structures hybrides doivent générer des réponses et des propriétés inexplorées, ouvrant une nouvelle voie pour promouvoir ces interfaces. A chaque étape de leur préparation, des réponses électrochimiques (capacitance, courant-tension, ...), physiques (photoluminescence, spectrométrie photoélectronique par rayons X (XPS), ...) seront étudiées.

  • Titre traduit

    Ingénierie de surface maîtrisée à l'échelle nanométrique de films de type polyphosphazène comme support de passivation sur les III-Vs


  • Résumé

    The EPI group controls the formation of a “polyphosphazene” passivated like film on a III-V semiconductor (InP). This film is made in liquid ammonia (-55 ° C.) using an electrochemical process. This passivation is chemically (followed by XPS spectroscopy) and physically (suggested by time-resolved photoluminescence, IRDEP collaboration, Institute for research and development on photovoltaic energy) stable. This process opens up possibilities for surface modifications which can give rise to applications in the field of III-V based optoelectronic devices. On InP, it is possible to fellow the evolutions of electrochemical responses as a function of the modification of the band diagram induced by the presence of the film. A complete coverage or partial passivations are "almost perfect" supports for surface functionalization since amino groups are present on “polyphosphazene” skeleton. This thesis offers an original approach to monitor the passivation of the III-V microelectronic and optoelectronic components. This passivation will be compared to more conventional CVD approaches. Based on chemistry and electrochemistry of interfaces, this thesis combines both fundamental and practical aspects. One of the key points will be to explore the nucleation-growth stage of the film. Our first results indicate a gradual paving of the surface before reaching the complete coverage whose follow the evolution kinetics depend on the support. The thesis will provide the understanding of the selectivity of the growth of this film as a function of the material support: various III-V and an opening towards II-VI, semiconductor family unexplored so far. The idea is to generate in a controlled way chemical heterogeneities whose nature influences the growth of the film. The chemical surface texture will be obtained by local or total modification by photo-oxidation or by lithographic masking (collaboration C2N, Center of Nanosciences and Nanotechnologies). This electrode design will provide the formation of controlled polyphosphazene passivation rates, which will be the starting point for electrochemical studies, metal deposition by electrodeposition or functionalization sequences localized by organic / inorganic groups (collaboration ESO, Electrochemistry and Organic Synthesis). The thesis will allow the formation of multi-structures on the nanometric scale. These new hybrid structures must generate unexplored responses and properties, opening up a new way to promote these interfaces. At each stage of their preparation, electrochemical responses (capacitance, current-voltage, ...), physical (photoluminescence, X-ray photoelectron spectrometry (XPS), ...) will be studied.