Soutenance de thèse : Lanpeng QIANG

Études des propriétés électroniques des matériaux et des nanofils GaAs et AIN/GaN par microscopie à sonde à balayage à mode électrique

Doctorant : Lanpeng QIANG

Laboratoire INSA : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon

École doctorale : n°34 ML - Matériaux

Les structures semi-conductrices de basse dimension, en particulier les nanofils, présentent un fort potentiel d'application pour la nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques, tels que les LEDs UV-Cet les cellules solaires. En effet, la relaxation des contraintes liées à la croissance spécifique des nanofils améliore considérablement la tolérance aux désaccords de maille dans les hétérostructures semi-conductrices. La faible densité de défauts des nanotils peut accroître l'efficacité de dopage par impuretés donneuses et acceptrices Étant donné que les dimensions de ces structures de basse dimension sont typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines de nanomètres, de nouvelles méthodes de caractérisation et d'analyse de leurs propriétés électriques doivent être développées. Les techniques de microscopie à sonde locale (SPM) reposant sur la microscopie à force atomique (AFM) ont démontré leur utilité pour effectuer des mesures électriques à l'échelle nanométrique, suscitant ainsi un vif intérêt. La présente thèse se concentre sur les techniques SPM basées sur l'AFM, particulièrement la microscopie de résistance d'étalement (ou Scanning spreading resistance microscopy: SSRM), pour caractériser et analyser les propriétés électriques de matériaux semi-conducteurs Ill-V sous forme de nanostructures, notamment les couches fines de GaAs, les nanofils de GaAs et les nanofils de AIN/GaN. Une procédure de traitement de surface a été mise au point, comprenant la planarisation et la coupe en section transversale. La planarisation comporte l'encapsulation des nanofils à l'aide d'un sol-gel de SiO2, puis le polissage permettant d'exposer les nanofils et d'obtenir une surface de mesure plane et lisse adaptée au balayage de l'AFM. Le polissage peut produire un biseau qui autorise la caractérisation de différentes sections longitudinales des nanofils. Afin de mener une étude quantitative dans le GaAs par SSRM, un étalonnage a été réalisé à partir d'une structure en escalier multicouche élaborée par épitaxie par jets moléculaires (MBE). La plage de dopage mesurée par spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) s'étend de Sx1016cm-3 à 1019cm-3. Des phénomènes anormaux lors de l'étalonnage ont pu être expliqués en tenant compte de la résistance parallèle parasite des échantillons étalons. Des mesures SSRM ont été réalisées sur des couches épaisses de GaAs, élaborées par épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE) (collaboration Institut Pascal à Aubiéres) dans diverses conditions novatrices de croissance.li a été possible de quantifier la concentration en porteurs, comprise entre 4x1016 et 1018cm-3, dans des couches de GaAs dopées au Zn. Une étude similaire a été effectuée sur des nanofils en GaAs non intentionnellement dopés élaborés par croissance sélective (SAG)-HVPE, révélant une concentration résiduelle en porteurs très faible et bien maitrisée de 7x101Scm-3. Ces résultats démontrent l'adéquation de la SSRM à l'analyse en profondeur d couches épaisses ou de nanofils, pour la résurgence de la HVPE. Nous avons étudié de façon systématique par SSRM la distribution du dopage Si de nanofils AIN/GaN, dont la croissance a été réalisée à des températures de cellule de Si comprises entre 800 et 1100°C. Les études menées démontrent une uniformité axiale et radiale du dopage Si dans les nanofils AIN/GaN élaborés par MBE assistée par plasma (PA-MBE) dans les conditions considérées (collaboration CEA Grenoble
/IRIG PHELIQS/NPSC) pour les températures de cellule de Si de 800°C à 1000°C. Les résultats conjoints de la SSRM et de la C-AFM pourraient permettre l'hypothèse que le profil de concentration en porteurs libres est influencé par la formation de centres DX dans l'AIN dopée des nanofils à 1100°C. La microscopie à force piézoréponse (PFM) a révélée la même orientation de polarité de surface. L'analyse SSRM de coupe transversale a montré un dopage homogène axial pour le GaN, l'AIN étant invisibilisé par une réaction d'hydrolyse.