Structure atomique des domaines d’inversion et joints de grains dans les semiconducteurs wurtzite : modélisation atomistique et microscopie électronique en transmission haute résolution

The atomic struture of inversion domains and grain boundaries in wurtzite semonconductors : an investigation by atomistic modelling and high resolution transmission electron microscopy

• Auteur / Autrice : Siqian Li
• Direction : Pierre Ruterana, Magali Morales
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/12/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Lucia Reining
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ruterana, Magali Morales, Joël Douin, Abdelkrim Redjaïmia, Jun Chen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joël Douin, Abdelkrim Redjaïmia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Dislocations dans les semiconducteurs

Microscopie électronique en transmission

Nitrures

Joints de grains

Semiconducteurs -- Défauts

Mots clés libres

Domaines d’inversio

Nitrures-III

MET

Modélisation ab-initio

Dislocation coin [10-10

Unité structurale

Inversion domain boundary

Grain boundary

Group-III nitrides

TEM

First-principle calculations, [10-10] edge dislocation

Structural unit

Résumé

Au cours de ce travail, nous avons étudié deux types de défauts interfaciaux: domaines d’inversion (DI) et joints de grains (JG) dans des semiconducteurs de structure wurtzite (nitrures- d’éléments III, ZnO et l’hétérostructure ZnO/GaN) en utilisant le MET haute résolution et la modélisation ab initio. Dans le cas des DI, nos analyses théoriques montrent qu'une configuration tête-à-tête avec une séquence d'empilement à l’interface AaBbAa-AcCaA (H4) est la structure la plus stable dans les composés binaires (nitrures et ZnO wurtzites). De plus, un gaz d’électrons (2DEG) ou de trous (2DHG) à 2 dimensions est formé pour les configurations « tête-à-tête » ou queue-à-queue. A l’interface ZnO/GaN, l'observation de MET très haute résolution a confirmé la configuration H4 avec une interface -Zn-O-Ga-N. Notre modélisation théorique a mis en évidence la formation d’un gas de trous à 2 dimensions à cette hétérointerface. Nous avons aussi réalisé l’étude topologique, théorique et par MET des joints de grains de rotation autour de l’axe [0001] dans ces matériaux. Dans le GaN, nous avons trouvé que les plans du joint sont simplement formés par des dislocations de type a déjà connues pour le matériau en couche mince. Par contre, dans ZnO, la théorie topologique est complétement démontrée, et la dislocation [101 ̅0] est une brique de base dans la constitution des joints de grains avec des cycles d’atomes 6-8-4-.

In this work, we investigated two kinds of interfacial defects: inversion domain boundaries (IDBs) and grain boundaries (GB) in wurtzite semiconductors (III-nitrides, ZnO and ZnO/GaN heterostructure) using high-resolution TEM and first-principle calculations. For IDBs, theoretical calculation indicated that a head-to-head IDB with an interfacial stacking sequence of AaBbAa-AcCaA (H4) is the most stable structure in wurtzite compounds. Moreover, 2-dimensional electron gas (2DEG) and 2-dimensional hole gas (2DHG) build up in head-to-head and tail-to-tail IDBs, respectively. Considering the IDB at the ZnO/GaN heterointerface, TEM observations unveiled the H4 configuration with a -Zn-O-Ga-N interface. Moreover the theoretical investigation also confirmed stability of this interface along with the corresponding formation of a 2DHG. A detailed topological, TEM and theoretical investigation of [0001] tilt Grain Boundaries (GBs) in wurtzite symmetry has also been carried out. In GaN, it is shown that the GBs are only made of separated a edge dislocations with 4, 5/7 and 8 atoms rings. For ZnO, a new structural unit: the [101 ̅0] edge dislocation made of connected 6-8-4-atom rings is reported for the first time, in agreement with an early theoretical report on dislocations and jogs in the wurtzite symmetry.