Etude de la relaxation de contraintes dans la dégradation spontanée des couches d'InAIN par les calculs atomistiques des interactions entre des défauts ponctuels

Study of stress relaxation in spontaneous degradation of InAlN layers by atomistic calculations of point defect interactions

• Auteur / Autrice : Rofka Ramdani
• Direction : Jun Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• 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 : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ruterana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jun Chen, Olivier Hardouin Duparc, Maylise Nastar, Viwanou Hounkpati, Charlotte Becquart, Noëlle Gogneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Hardouin Duparc, Maylise Nastar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Dynamique moléculaire

Relaxation des contraintes

Défauts

Mots clés libres

Semi-conducteur nitrures III-V,

Ntéraction entre les défauts

Ségrègation de phases

Dégradation d’InAlN,

Lacune d’azote

Cluster InN

Nitride III-V semiconductors

InAlN

Nteraction between defects

Defects

Phases segregation

Stress relaxation

InAlN degradation

N-vacancy

Clustering

Molecular dynamics

Density functional theory

Résumé

Parmi les alliages de nitrures III-V, l'InAlN a suscité un grand intérêt technologique ces dernières années en raison de sa large bande interdite et de sa concordance de réseau avec le GaN à une composition d'indium de 18%, avec comme application une meilleure barrière pour la prochaine génération de transistors à haute mobilité électronique (HEMT). Cependant, sa qualité cristalline se dégrade avec l'augmentation de l'épaisseur. A l’aide de la simulation numérique utilisant le potentiel empirique Stillinger-Weber, nous avons proposé un mécanisme de dégradation des couches InAlN par la ségrégation de phases (formation des clusters d’InN) basé sur la relaxation de contrainte due à l’interaction entre des éléments d’alliage (indium) et des défauts ponctuels. Le rayon de cluster le plus fovorable est de l’ordre de 6 Å. L’agrandissement de la taille de cluster peut être également expliqué par ce mécanisme de relaxation de contrainte. Le même type de comportement dans InGaN et AlGaN est aussi possible, mais avec un effet moins important voire nul. Ces résultats concordent avec les observations expérimentales.

Among the III-V nitride alloys, InAlN has attracted great technological interest in recent years due to its wide band gap and lattice matching with GaN at 18% indium composition, with the application of better barrier for the next generation of high electron mobility transistors (HEMT). However, its crystal quality degrades with increasing thickness. With the help of numerical simulation using the empirical Stillinger-Weber potential, we have proposed a mechanism for the degradation of InAlN layers by phase segregation (InN cluster formation) based on stress relaxation due to the interaction between alloying elements (indium) and point defects. The most favorable cluster radius is of the order of 6 Å. The enlargement of the cluster size can also be explained by this stress relaxation mechanism. The same type of behavior in InGaN and AlGaN is also possible, but with less or no effect. These results are in agreement with the experimental observations.