Irradiation par des ions de grande énergie de semiconducteurs III-N (AlN, GaN, InN) : création de défauts ponctuels et étendus

Effects of high energy ion irradiation in III-N semiconductors (AlN, GaN and InN)

• Auteur / Autrice : Mamour Sall
• Direction : Emmanuel Balanzat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'absorption

Collisions (physique nucléaire)

Ions lourds

Nitrures

Semiconducteurs à bande interdite étroite

Irradiation

Résumé

Les matériaux semiconducteurs III N (AlN, GaN, InN) présentent des propriétés intéressantes pour la micro et l’opto-électronique. Ils peuvent être soumis à différents types d’irradiation dans une large gamme d’énergie de projectile. Dans l’AlN, initialement considéré insensible aux excitations électroniques (Se), nous avons mis en évidence une synergie inédite entre Se et les chocs nucléaires (Sn) pour la création de défauts absorbants à 4. 7 eV. Par ailleurs, un autre effet du Se est mis en évidence dans l’AlN : les dislocations vis subissent, sous l’effet du Se, une montée aux fortes fluences d’irradiation. Dans le GaN, deux mécanismes de création peuvent être à l’origine des défauts absorbants à 2. 8 eV: une synergie entre Se et Sn, ou une création uniquement due à Sn mais avec un fort effet de la taille des cascades de déplacement. L’étude, par MET, des effets de Se dans les trois matériaux, montre un comportement très différent d’un matériau à l’autre bien qu’ils appartiennent à la même famille des nitrures avec la même structure atomique. Sous irradiation aux ions monoatomiques (vitesse entre 0. 4 et 5 MeV/u), tandis que l’on observe des traces discontinues dans le GaN et l’InN, aucune trace n’est observée dans l’AlN avec le plus fort pouvoir d’arrêt électronique (33 keV/nm). Il faut des fullerènes pour observer des traces dans l’AlN. Le modèle de la pointe thermique inélastique a permis de calculer les énergies nécessaires pour produire des traces dans l’AlN, le GaN et l’InN, elles sont respectivement de 4. 2 eV/atome, 1. 5 eV/atome et 0. 8 eV/atome. Cette différence de sensibilité aux effets de Se, se retrouve également aux fortes fluences d’irradiation.

Nitride semiconductors III N (AlN, GaN, InN) have interesting properties for micro-and opto-electronic applications. In use, they may be subjected to different types of radiation in a wide range of energy. In AlN, initially considered insensitive to electronic excitations (Se), we have demonstrated a novel type of synergy between Se and nuclear collisions (Sn) for the creation of defects absorbing at 4. 7 eV. In addition, another effect of Se is highlighted in AlN: climb of screw dislocations under the influence of Se, at high fluence. In GaN, two mechanisms can explain the creation of defects absorbing at 2. 8 eV: a synergy between Se and Sn, or a creation only due to Sn but with a strong effect of the size of displacement cascades. The study, by TEM, of the effects of Se in the three materials, exhibits behaviors highly dependent on the material while they all belong to the same family with the same atomic structure. Under monoatomic ion irradiations (velocity between 0. 4 and 5 MeV/u), while discontinuous tracks are observed in GaN and InN, no track is observed in AlN with the highest electronic stopping power (33 keV/nm). Only fullerene clusters produce tracks in AlN. The inelastic thermal spike model was used to calculate the energies required to produce track in AlN, GaN and InN, they are 4. 2 eV/atom, 1. 5 eV/atom and 0. 8 eV/atom, respectively. This sensitivity difference according to Se, also occurs at high fluence.