Thèse soutenue

Etude des premiers instants du dépôt chimique par flux alternés (ALD) de films ZnO ultra minces sur In0,53Ga0,47As, dans le but d'optimiser la résistance de contact d'une structure MIS

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Evgenii Skopin
Direction : Hubert Renevier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des matériaux
Date : Soutenance le 15/06/2018
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Christophe Vallée
Examinateurs / Examinatrices : Elsje Alessandra Quadrelli, Philippe Rodriguez, Dillon D. Fong, Marie-Ingrid Richard
Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Donsanti, Christophe Detavernier

Résumé

FR  |  
EN

Ce travail porte sur l'étude des étapes initiales du dépôt de couches atomiques de ZnO (ALD) sur une surface (100) de In0,57Ga0,43As, par l'utilisation de techniques de caractérisation in situ (rayonnement synchrotron). En raison de la grande mobilité des électrons, le semi-conducteur III-V InGaAs est un matériau potentiel pour remplacer le canal de Silicium dans les transistors à effet de champ (MOSFET). Afin de diminuer la hauteur de la barrière Schottky et la résistance de contact, une couche ultra-mince (tunnel) de ZnO peut être insérée entre le métal et le semiconducteur InGaAs. Au cours de ces dernières années, la technique ALD, compatible avec les spécifications de l'industrie et basée sur des réactions chimiques de surface auto-limitantes, est utilisée pour la fabrication de films minces conformes et homogènes avec un contrôle sub-nanométrique de l’épaisseur. Cependant, le comportement au cours de la croissance diffère fortement en fonction de la surface du substrat. Ainsi, l'étude des premières étapes ALD est particulièrement intéressante afin d’améliorer la compréhension des mécanismes de croissance en vue de la création de films ultra-minces.Pour ce faire, nous avons développé et mis à niveau un réacteur thermique ALD (MOON) dédié. Il peut être installé sur des lignes de lumière synchrotron afin d’étudier la croissance des matériaux in situ avec des techniques telles que la fluorescence X, l’absorption X, la spectroscopie des rayons X ainsi que la diffraction X en incidence rasante. De plus, des techniques optiques de caractérisation in situ peuvent être utilisées en laboratoire ou couplées en milieu synchrotron. Les expériences au synchrotron ont été réalisées sur les lignes de lumière SIRIUS (SOLEIL, Saint-Aubin (France)) et ID3 (ESRF, Grenoble (France)).Nous montrons que dans sa phase initiale, la croissance ALD de ZnO est inhibée par le substrat (100) InGaAs, ce qui conduit à un régime transitoire avant le régime de croissance ALD stable. La première phase du régime transitoire conduit à la formation d’une couche d’oxyde de Zinc, ultra-mince (~1 nm d'épaisseur), fabriquée avec un taux de croissance très faible. L'absorption X et la diffusion X en incidence rasante montrent qu’à ce stade le matériau ZnO est désordonné (non cristallisé) et présente un ordre à courte distance caractérisé par une structure wurtzite embryonnaire. Ensuite, le régime transitoire entre dans une deuxième phase (croissance 3D), le taux de croissance par cycle (GPC) augmente, atteint un maximum puis diminue jusqu'à une valeur constante (croissance ALD stable). Afin de mieux comprendre le mode de croissance 3D nous avons développé un modèle géométrique qui schématise la croissance d’îlots hémisphériques par ALD. Ce modèle permet d'obtenir des paramètres quantitatifs de croissance.En modifiant le débit d’eau (H2O) utilisée comme réactif pendant le processus ALD, il est possible de contrôler le délai (ou le nombre de cycles) avant le début de la croissance 3D. Cet effet est très probablement lié à la variation de la densité des groupes hydroxyle à la surface de l'InGaAs. Par ailleurs, nous avons caractérisé la croissance ALD de ZnO pour différentes températures du substrat InGaAs (dans et hors fenêtre ALD). Les cartes de diffusion des RX réalisées en cours de dépôt, montrent l’apparition d’une phase cristallisée à longue distance en lien avec le démarrage de la croissance 3D. À température élevée, hors de la fenêtre ALD, nous observons une texturation de la couche ZnO lorsque son épaisseur augmente. Aucune relation d’épitaxie n’est observée.Enfin, nous rendons compte de l'utilisation de couches ZnO ultraminces sur InGaAs pour les contacts électriques. La résistance de contact des échantillons de métal/ZnO/InGaAs a été mesurée à l'aide de la méthode Transfert Length Method (TLM). Nous montrons que la résistivité de contact spécifique des tampons Al/p-InGaAs est réduite par l’insertion d’une couche tunnel ZnO entre l'Al et l'InGaAs dopé p.