Synthèse contrôlée de couches de PtSe2 par épitaxie par jets moléculaires pour les dispositifs optoélectroniques dans l’infrarouge

Controlled synthesis of PtSe2 layers by molecular beam epitaxy for infrared optoelectronic devices

• Auteur / Autrice : Ivan Verschueren
• Direction : Didier Pribat, Pierre Legagneux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/06/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Oughaddou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Pribat, Pierre Legagneux, Juliette Mangeney, Jean-Noël Aqua, Vincent Derycke, Abdelkarim Ouerghi, Hanako Okuno
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juliette Mangeney, Jean-Noël Aqua

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Science des matériaux

Mots clés libres

Epitaxie

EJM

Matériau 2D

Croissance

Dichalcogénures de métaux de transition (DCMT)

Epitaxy

MBE

2D material

Growth

Transition metal dichalcogenide (TMDC)

Résumé

La découverte du graphène et de ses propriétés en 2004 a initié l'étude de très nombreux matériaux bidimensionnels (2D). Ce travail se concentre principalement sur la synthèse de PtSe2 sur différents substrats. Ce matériau 2D de la famille des dichalcogénures de métaux de transition est stable à l'air, possède une mobilité de dérive importante à Tambiante (210 cm^2/(V.s)) et un gap variable en fonction du nombre de couches le rendant capable d'absorber dans l'infrarouge et en particulier à 1,55 um. Ces différentes caractéristiques en font un matériau d'intérêt, notamment pour les photodétecteurs IR.Le problème majeur qui se pose lors de l’apparition de nouveaux matériaux présentant des propriétés intéressantes est de les synthétiser de façon contrôlée et reproductible sur des substrats de grandes tailles, compatibles avec des développements industriels.Dans ce contexte, nous avons dans un premier temps étudié la possibilité de synthétiser PtSe2 par implantation ionique. L’idée était de faire cristalliser des précurseurs implantés sous forme d’ions Pt et Se dans des substrats de saphir et d’or, en pratiquant un recuit post-implantation à haute température. Cette méthode permet une grande uniformité et un excellent contrôle de la dose implantée, donc potentiellement du nombre de couches. Les couches obtenues après recuit des substrats de saphir sont de bonne qualité, polycristallines et présentent des cristallites de petites tailles. Il est probable que la croissance des domaines de PtSe2 s’effectue à partir de germes crées de façon aléatoire au cours de l’implantation ionique, phénomène déjà observé pour MoS2. Nous n’avons pas réussi à obtenir de PtSe2 après coimplantation dans des couches minces d’or déposées sur différents substrats.Dans un deuxième temps nous avons étudié la croissance par coévaporation en MBE, méthode de croissance à l'heure actuelle bien maîtrisée. Nos travaux se sont portés sur différents substrats :- Les couches obtenues sur saphir sont de très bonne qualité cristalline, présentent une excellente homogénéité et une épaisseur contrôlée. La texture de fibre observée est qualifiée par diffraction de rayons X. Nous démontrons de plus que l'obtention de terrasses séparées par des marches atomiques sur le substrat de saphir avant croissance permet une amélioration de la qualité cristalline en imposant une orientation azimutale aux cristallites nucléant sur le bord des marches.- Les couches obtenues sur silice sont de qualité cristalline médiocre.- Les couches obtenues sur h-BN déposé sur saphir présentent une qualité cristalline exaltée par rapport au substrat.- Les couches obtenues sur SiC graphitisé sont d'excellente qualité cristalline et présentent une bonne homogénéité. Des mesures de GIXRD révèlent que l'orientation azimutale des cristallites est en partie imposée par le substrat. Deux directions particulières s'imposent, la principale étant particulièrement intense. La secondaire, correspondant à une rotation de 30° des cristallites, donne des pics de faible intensité.Dans un troisième temps nous avons étudié les performances électriques des couches obtenues sur saphir. Les caractérisations par la méthode de van der Pauw révèlent qu'une couche de surface 16 x 16 mm2 et d'épaisseur 7-8 nm présente une mobilité de Hall de 6,5 cm^2/(V.s) et une concentration de porteurs de 11,6*10^15 cm^(-2) à Tambiante. Les caractérisations sur dispositifs DC nous ont permis d'étudier la résistance par carré des canaux et les résistances de contacts. Nous obtenons une Rcarré moyenne de 1,50 kOhm avec sigma=0,35 kOhm. Les résistances de contacts sont très faibles devant la résistance du canal. Les caractérisations sur photodétecteurs RF à 1,55 um révèlent une réponse constante en fonction de la fréquence entre 2 et 30 GHz à Prf= -48 dBm (pour Popt=60 mW). Des mesures effectuées entre 2 et 67 GHz montrent une excellente fréquence de coupure (à -3 dB) de 60 GHz, soit supérieure à l'état de l'art (17 GHz).

The discovery of graphene and its properties in 2004 initiated the study of numerous bidimensional (2D) materials.This work mainly focuses on the growth of PtSe2 on different substrate. This 2D materials of the transition metals dichalcogenides family is air stable, possess an important drift mobility at room temperature (210 cm^2.V^(-1).s^(-1)) and a variable gap with respect with the layer thickness, making it possible to absorb in the infrared (IR) and especially at 1,55 um. These different characteristics makes it an interesting material, particularly for the IR photodetectors.The main problem that poses with the apparition of new materials presenting interesting properties is to syntheses it in a controllable and reproductible on large area substrates way, compatible with industrial developments.In this context, we first studied the possibility to grow PtSe2 by ionic implantation. The idea was to crystallize implanted precursors (in the form of Pt and Se ions) in substrates of sapphire and gold, by a high temperature anneal post-implantation. This method allows to obtain great uniformity and excellent control of the implanted doses, thus potentially the number of layers. The PtSe2 layers obtained after annealing sapphire substrates are of good quality, polycrystalline and present small sized crystallites. It is probable that the PtSe2 domains grow from germs created in a random fashion during the ionic implantation, this phenomenon was already observed for MoS2. We did not manage to obtain PtSe2 layers after co-implantation in gold thin layers deposited on different substrates.We then studied the growth by co-evaporation in MBE, growth method nowadays well understood. Our work focused on different substrates:The layers obtained on sapphire are of great crystalline quality, present an excellent homogeneity and a controlled thickness. The fiber texture observed is qualified through X-ray diffraction. We demonstrate furthermore that the obtention of terrasses on the sapphire substrate pre-growth allows an improvement on the crystalline quality and the imposition of an azimuthal orientation to the crystallites that nucleate near the step edges.The layers obtained on silica are of mediocre crystalline quality.The layers obtained on h-BN deposited on sapphire present an exalted crystalline quality in comparison with the substrates.The layers obtained on graphitized SiC are of excellent crystalline quality and presents a good homogeneity. GIXRD measurements reveal that the azimuthal orientation of the crystallites is partially imposed by the substrate. Two specific orientations appear, the first one being especially intense. The secondary one, corresponding to a 30° rotation of the crystallites, gives weak peaks.Finally, we studied the electrical performances of the layers obtained on sapphire. The characterization through van der Pauw method reveals that the studied sample (16*16mm² area and 7-8nm thick) presents a Hall mobility u_H=6,5 cm^2.V^(-1).s^(-1) and a carrier concentration of 11,6*10^15 cm^(-2) at room temperature.The DC devices characterization allows us to study the square resistance of the canals and the contact resistances. We obtain a mean R_square of 1,50 kOhm with siga=0,35 kOh. The contacts resistances are weak regarding the canal resistance.The RF photodetector characterizations at 1,55um reveal a constant response with the frequency between 2 and 30 GHZ at P_rf= -48 dBm (with P_opt=60 mW). Measurements done between 2 and 67 GHZ show an excellent cut-off frequency (at 3 dB) of 60 GHz, thus a frequency higher than the state of the art (17 GHz).