Metrology of the dopants in ZnO nanostructures by atom probe tomography

• Auteur / Autrice : Nooshin Amirifar
• Direction : Philippe Pareige
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime1996-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Terres rares

Diodes électroluminescentes

Sondes atomiques tomographiques

Oxyde de zinc

Semiconducteurs -- Dopage

Résumé

Ces dernières années, un nombre accru de travaux de recherche ont été menés pour le développement de dispositifs optoélectroniques et électroniques à base de ZnO. La conception de ces dispositifs nécessite une maîtrise totale des processus de synthèse et de dopage car ils en déterminent les propriétés électriques et optiques finales. Aujourd’hui encore, l'un des obstacles majeur à la réalisation de tels dispositifs réside dans la difficulté d’obtenir un dopage de type-p dans le ZnO. Il faut pour cela des techniques de caractérisation pouvant fournir des informations directes sur la distribution des dopants. Dans ce travail de thèse, la sonde atomique tomographique (SAT), a été utilisée afin d’étudier l’incorporation de dopants dans des films minces et des nanofils de ZnO. Deux types de dopage ont été étudiés. Des dopages de type-p de nanofils de ZnO ont été entrepris par deux techniques différentes : l’une ex-situ, par diffusion thermique après élaboration des nanofils et l’autre, in-situ, par incorporation durant la croissance. Bien qu’une incorporation homogène des dopants ait été obtenue, les nanofils présentent une conductivité de type-n. Des dopages avec des éléments de terres rares (TR) ont également été étudiés pour améliorer les propriétés optiques des couches minces de ZnO. Il a été montré que les traitements thermiques influencent fortement les propriétés optiques des ZnO:TR. L’analyse en SAT a montré que les recuits ont peu d’influence sur la distribution des dopants. Cette étude montre que les propriétés électriques et optiques du ZnO sont très sensibles aux paramètres d’élaboration et de post-traitement mais que les plus pertinents sont encore à découvrir.

In recent years, an increasing number of research studies has been conducted for the development of optoelectronic and electronic devices based on ZnO. The design of these devices requires a total control of synthesis and doping process as they determine the final electrical and optical properties. Today, one major obstacle in achieving such devices is the difficulties of obtaining a p-type ZnO. Achieving this requires proper characterization techniques that can provide direct information about the distribution of dopants. In this thesis, atom probe tomography (APT) has been used to study the incorporation of dopants in ZnO thin films and nanowires. Two types of doping were studied. P-type doping of ZnO nanowires were attempted by two different techniques: one ex-situ process through thermal diffusion into undoped nanowire and the other one through an in-situ incorporation during the wire growth. It was shown that despite the fact that a homogeneous incorporation of dopants was achieved, the doped nanowires showed n-type conductivity. Doping with rare earth elements (RE) was also studied in order to improve the optical properties of ZnO thin films. It has been shown that heat treatments strongly influence the optical properties of the doped thin layers. Analysis by APT has revealed a slight influence of heat treatments on the distribution of dopants. This study shows that the electrical and optical properties of ZnO are strongly dependent on the elaboration and annealing parameters but the most relevant parameter are yet to be discovered.