Etude de la passivation du GaAs(100) par nitruration par plasma N2 sous ultra-vide

Study of the GaAs(100) passivation by nitridation by N2 plasma under ultra-vacuum

• Auteur / Autrice : Hussein Mehdi
• Direction : Christine Robert-Goumet, Philip Hoggan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, Milieux denses et Matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Besland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Monier, Bernard Pelissier, Damien Aureau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Leroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Mots clés libres

Semi-conducteurs III-V

Passivation

Nitruration

Cinétique

Plasma

Contrainte

Diode Schottky

Discontinuité des bandes

GaAs

GaN

AR-XPS

DFT

LEED

MEB

Semiconductors III-V

Passivation

Nitridation

Kinetics

Plasma

Strain

Schottky Diode

Band discontinuity

GaAs

GaN

AR-XPS

DFT

LEED

SEM

Résumé

La passivation de la surface des semi-conducteurs III-V est une technique adaptée pour éliminer les effets indésirables qui perturbent le bon fonctionnement des dispositifs optoélectroniques. L’objectif de ce travail est de passiver la surface du GaAs par nitruration par plasma N2 généré par deux sources de nitruration différentes : la GDS (Glow Discharge Source) et l’ECR (Electron Cyclotron résonance). Une première étude basée sur des mesures AR-XPS, des simulations DFT et un modèle cinétique raffiné a permis d’identifier les trois étapes principales du processus de nitruration en mettant en évidence plusieurs phénomènes physiques. Une deuxième étude des effets de la passivation du GaAs par la couche mince de GaN créée en surface permet d’optimiser les paramètres expérimentaux du processus de nitruration pour tendre vers une passivation optimale. Ainsi, la structure des couches de GaN élaborés est déterminée par diffraction d’électrons lents (LEED) après une cristallisation par un recuit à 620°C et par des images MEB. De plus, la passivation chimique de la surface des couches de GaAs nitrurées après exposition à l’air est étudiée par des mesures AR-XPS et l’amélioration de la photoluminescence du GaAs après nitruration est mise en évidence par des mesures µPL. Finalement, le processus de nitruration a révélé un intérêt pour optimiser les paramètres électriques des diodes Schottky à base de GaAs.

The surface passivation of III-V semiconductors is a suitable process to eliminate the side effects which disrupt the smooth operation of the optoelectronic devices. The aim of this thesis is to investigate passivation of the GaAs surface by nitridation using N2 plasma generated by two different sources: the GDS (Glow discharge source) and ECR (Electron Cyclotron Resonance). Our first study based on AR-XPS measurements, DFT simulations and a refined kinetic model permits identification of the three main steps of the nitriding process exhibiting several physical phenomena. Our second study of the GaAs passivation effects by growing a GaN thin layer on the surface makes it possible to optimize the experimental parameters of the nitriding process in order to tend towards optimal passivation. Firstly, the elaborated GaN layer structure is obtained by LEED patterns after their crystallization by an annealing at 620°C as well as the surface morphology obtained by SEM images. Then, chemical passivation of the nitrided GaAs layers is studied by AR-XPS measurements and the photoluminescence improvement of the GaAs substrate after nitridation is highlighted by µPL measurements. Finally, the nitridation process benefits electrical parameters of the Schottky diodes based on GaAs, optimizing them.