Vers la maitrise de la morphologie de surface et de la couche tampon en dessous du graphène sur SiC(0001) : croissance, propriétés optiques et électriques

Towards the control of the surface morphology and the buffer layer below graphene on SiC(0001) : growth, optical and electrical properties

• Auteur / Autrice : Haitham Hrich
• Direction : Sylvie Contreras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et astrophysique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Lucyna Firlej
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Michon, Périne Landois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Chaussende, Annick Loiseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés électriques

Propriétés optiques

Graphène

Mots clés libres

Croissance

Graphène

Couche tampon

SiC

Caractérisation optique

Caractérisation électrique

Growth

Graphene

Buffer layer

SiC

Optical characterization

Electrical characterization

Résumé

Les propriétés du graphène obtenu par décomposition thermique du carbure de silicium hexagonal (SiC) font l'objet de recherches approfondies depuis plusieurs décennies. L’objectif de cette thèse est de maîtriser une partie de l’environnement du graphène, sur 4H-SiC (0001), par les paramètres de croissances. Plus précisément, je me suis intéressé à l’influence de ces paramètres sur la morphologie de surface du SiC(0001) et sur la couche tampon(BL) pour ensuite étudier les propriétés du graphène obtenu.Concernant la morphologie de surface, grâce aux différentes options dont dispose le four Zenith 100, nous avons pu étudier et mettre en évidence l’impact de plusieurs paramètres de croissance sur la largeur, l’aspect ainsi que la hauteur des terrasses SiC (0001) en dessous du graphène. Les paramètres en question sont la rampe de montée en température, l’environnement de croissance, l’utilisation d’un isotherme intermédiaire pendant le recuit ainsi que la température de ce dernier. Ces études nous ont permis d’identifier un processus reproductible, avec plus de soixante croissances, qui permet la production d’un film continu de graphène majoritairement monocouche qui couvre la totalité d’une surface allant de 6 × 6 mm2 jusqu’à 10 × 10 mm². Ce film est obtenu sur des terrasses SiC (0001) rectilignes et larges, pouvant atteindre les 12 µm en moyenne, avec une hauteur inférieure à 2,5 nm. A notre connaissance, il s’agit des terrasses 4H-SiC (0001) les plus larges jamais rapportées sous du graphène majoritairement monocouche obtenues à pression intermédiaire (50 mbar). Les caractéristiques Raman ainsi que les propriétés électriques de ce nouveau type d’échantillon graphène épitaxié sur 4H-SiC (0001), sont présentées et discutées. Concernant les propriétés électriques, après un recuit à 575 K, l’échantillon analysé est de type n avec une concentration de porteurs de Hall de 1013 cm-2 et une mobilité de Hall autour de 880 cm²V-1s-1. Nous soulignons que ces valeurs sont comparables avec celles déjà rapportées pour des échantillons graphène épitaxié sur SiC (0001). De plus, la nouvelle configuration des terrasses que nous proposons ici ouvre la voie à une étude plus approfondie des propriétés électriques microscopiques du graphène épitaxié sur SiC(0001). En effet, avec une largeur de 12 µm en moyenne, il est maintenant possible de réaliser des dispositifs, type barre de Hall, sur une seule terrasse et ainsi accéder aux propriétés intrinsèques du graphène épitaxié, sans être perturbé par le bord des terrasses.Concernant la couche tampon, une étude en deux étapes a été menée. La première étape a permis d’identifier un processus reproductible permettant la couverture de nos échantillons par cette couche. La deuxième étape a permis d’identifier un processus rapide, en moins de 35 minutes, permettant de transformer entièrement cette couche tampon en couche de graphène par intercalation de H2. Les mécanismes mis en jeu lors de cette intercalation sont également abordés. Bien que cette méthode soit relativement récente, il est important de souligner que différents groupes l’ont déjà utilisée (avec succès) pour obtenir des monocouches de graphène (1LG) directement sur SiC(0001) (1LG/SiC(0001)). Généralement, l’intercalation se fait sous un environnement purement H2. Dans notre cas, l’intercalation est réalisée avec succès sous un environnement mixte (H2/Ar ; 20/80%) moins agressif et plus sécuritaire. Concernant les propriétés des échantillons réalisés, les caractérisations Raman ont révélé une bande D avec une intensité relativement faible sur nos échantillons (1LG/SiC(0001)) témoignant d’un faible taux de défauts dans ces derniers. Concernant les propriétés électriques, un des échantillons 1LG/SiC(0001)), a fait l’objet de mesures et analyses approfondies.

The properties of graphene obtained by thermal decomposition of hexagonal silicon carbide (SiC) have been the subject of extensive research for several years.The objective of this thesis is to control a part of the environment of graphene, on 4H-SiC (0001), by the growth parameters. More precisely, I was interested in the influence of these parameters on the surface morphology of SiC(0001) and on the buffer layer (BL) to then study the properties of the graphene obtained.Regarding the surface morphology, thanks to the different options available in the Zenith 100 furnace, we were able to study and highlight the impact of several growth parameters on the width, aspect and height of SiC terraces (0001) below graphene. The parameters in question are the temperature ramp, the growth environment, the use of an intermediate isotherm during the annealing as well as the temperature of the latter. These studies have allowed us to identify a reproducible process, with more than sixty growths, which allows the production of a continuous film of predominantly monolayer graphene that covers the entire surface area ranging from 6 × 6 mm2 up to 10 × 10mm². This film is obtained on straight and wide SiC (0001) terraces, which can reach 12 µm on average, with a height of less than 2.5 nm. To our knowledge, these are the widest 4H-SiC (0001) terraces ever reported under mainly monolayer graphene obtained at an intermediate pressure (50 mbar). The Raman characteristics as well as the electrical properties of this new type of epitaxial graphene sample on 4H-SiC (0001), are presented and discussed. Regarding the electrical properties, after annealing at 575 K, the analyzed sample is n-type with a Hall carrier concentration of 1013 cm-2 and a Hall mobility around 880 cm²V-1s-1. We emphasize that these values are comparable with those already reported for graphene samples epitaxially grown on SiC (0001). Moreover, the new configuration of the terraces that we propose here opens the way to a more in-depth study of the microscopic electrical properties of graphene epitaxially grown on SiC(0001). Indeed, with a width of 12 µm on average, it is now possible to produce Hall bar-type devices on a single terrace and thus access the intrinsic properties of epitaxial graphene, without being disturbed by the edge of the terraces.Regarding the buffer layer, a two-step study was conducted. The first step made it possible to identify a reproducible process allowing the coverage of our samples by this layer. The second step made it possible to identify a rapid process, in less than 35 minutes, allowing this buffer layer to be completely transformed into a graphene layer by intercalation of H2. The mechanisms involved during this intercalation are also discussed. Although this method is relatively recent, it is important to highlight that different groups have already used it (successfully) to obtain monolayers of graphene (1LG) directly on SiC(0001) (1LG/SiC(0001)). Generally, the intercalation is done under a purely H2 environment. In our case, the intercalation is successfully performed under a mixed environment (H2/Ar; 20/80%) which is better from a security perspective. Regarding the properties of the samples produced, the Raman characterizations revealed a low intensity D band on our samples (1LG/SiC(0001)) indicating a low rate of defects. Regarding the electrical properties, one of the samples, 1LG/SiC(0001)), was the subject of extensive measurements and analyses. The measurements carried out revealed that this sample was p-type with a Hall mobility, at 300 K, around 1410 cm²V-1s-1 (comparable to that of silicon). More interestingly, after annealing at 575 K, the evolution of resistivity as a function of temperature could be described by a model (VRH+TA) suggesting the opening of a gap.