Etude du profil en profondeur des modifications induites par irradiation aux ions sur substrat de saphir et du film mince GaN

Damage depth profile of modifications induced in alpha-Al2O3 substrate and GaN thin film under swift heavy ions

• Auteur / Autrice : Alexis Ribet
• Direction : Isabelle Monnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/10/2019
• 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 : établissment de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Portier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Monnet, Aurélien Debelle, Patrick Simon, Nathalie Millard-Pinard, Clara Grygiel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aurélien Debelle, Patrick Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique en transmission

Rayons X -- Diffraction

Ions lourds

Irradiation

Nitrure de gallium

Mots clés libres

DRX

MET

Profil d’endommagement

Pouvoir d’arrêt électronique

Pouvoir d’arrêt nucléaire

Alpha-Al2O3

GaN

Irradiation, Heavy ions

XRD

TEM

Damage profile

Electronic stopping power

Nuclear stopping power

Résumé

La famille des matériaux semiconducteurs III-N présente des propriétés adéquates pour diversesapplications que ce soit dans le domaine de l’optique ou de l’électronique. Certaines de ces applicationsconsistent à intégrer ces matériaux dans des environnements hostiles et notamment soumis à l’actiond’ions lourds à différentes énergies. Lors de cette thèse, le travail consistait tout d’abord à comprendrel’évolution microstructurale sous irradiation du substrat alpha-Al2O3, puis du film mince GaN, afin d’établirun profil de l’évolution de l’endommagement en fonction de la profondeur. Un comportement assezsimilaire concernant l’évolution des paramètres de maille a été observé pour les deux matériaux. Dansla direction parallèle à la trajectoire du faisceau d’ions, une importante augmentation du paramètre demaille a été mise en évidence tandis que peu de variations ont été relevées perpendiculairement à latrajectoire du faisceau d’ions. Les formations de couche amorphe pour l’alpha-Al2O3 et de couche fortementendommagée pour le GaN ont été observées en surface. Les épaisseurs de ces couches augmentent enfonction de la fluence, associé à l’augmentation des contraintes résiduelles au sein du matériau. Al’aide d’hypothèses et des différents résultats obtenus, deux profils d’endommagement en profondeuront été proposés. D’autre part, la nanoindentation a montré que les paramètres de dureté et de moduled’élasticité évoluent fortement sous irradiation en fonction de la fluence.

Nitride semiconductors are attractive materials for the development of optical and electronic devices.Some of these applications can expose materials to extreme environments and especially radiation ofheavy ions at different energies. In this thesis, the study focused first on behaviour evolution underirradiation of alpha-Al2O3 and then of GaN thin film, in order to establish a profile of damage evolution asfunction of the depth. Concerning lattice parameter, a similar behaviour was observed for both materials.An important increase of lattice parameter parallel to ion beam was highlighted while few variations wasnoted for the lattice parameter perpendicular to ion beam. Formation of amorphous layer for alpha-Al2O3and highly disordered layer for GaN were observed in surface. Layers thicknesses increase as functionof the fluence with an increase of residual stresses in material. Using different results and assumptions,two damage profiles as function of the depth have been proposed. In addition, nanoindentation hasshown hardness and modulus of elasticity parameter evolve highly under irradiation as function of thefluence.