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

Des recherches au sein du groupe MADIR (MAtériaux, Défauts et IRradiation) du CIMAP (Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique) sont effectuées depuis plusieurs années sur le sujet des nitrures (AlN, GaN, InN et alliages correspondants), les films minces hétéroépitaxiés sur un substrat d’Al2O3 sont étudiés sous diverses conditions d’irradiation. Au laboratoire, deux thèses réalisées par Mamour Sall (2010-2013) et Florent Moisy (2013-2016), ont fait l’objet d’études approfondies sur l’AlN et sur le GaN, principalement à l’aide de la microscopie électronique à transmission et par absorption optique.

Cette famille de nitrures est très présente aujourd’hui dans la composition des semiconducteurs, matériaux occupant une place très importante dans de nombreuses applications de la vie quotidienne. En effet, le paramètre clé des semiconducteurs est la valeur de leur bande interdite, qui correspond à l’énergie nécessaire à un électron pour qu’il puisse participer à la conduction électrique du matériau. L’AlN et l’InN possèdent une bande interdite d’une valeur de 6,2 eV et 0,7 eV respectivement. Ceci va alors permettre de couvrir un large domaine de longueurs d’onde, allant de l’infrarouge à l’ultraviolet. Le GaN, quant à lui, possède une bande interdite d’une valeur de 3,4 eV. Une attention particulière est portée sur ce matériau pour ses applications dans le domaine de l’éclairage basse consommation, avec l’utilisation des LED mais aussi des lasers et des composants électroniques de forte puissance.

Cependant, la fabrication de matériau GaN massif est assez complexe et onéreuse. La croissance d’un film mince sur un substrat est donc généralement utilisée. Différents substrats sont disponibles sur le marché mais l’Al2O3 sous forme cristalline est généralement utilisé en raison de sa structure hexagonale et de ses propriétés diélectriques. En effet, la structure du GaN s’accommode aisément à celle de l’Al2O3 puisqu’un faible désaccord de maille est présent entre les deux matériaux. De plus, outre ses compétences en tant que substrat, le saphir est important d’un point de vue technologique pour ses propriétés isolantes et pour sa résistance chimique (inerte et résistant à l’attaque des traitements tel que l’acide fluorhydrique). Il est aussi très employé dans l’industrie des abrasifs en raison de sa dureté (9 sur l’échelle de Mohs), des céramiques par sa large gamme en transmission optique (diodes lasers, réflecteurs, détecteurs, …) ou encore des matériaux réfractaires (Tf = 2300 K).

A l’heure actuelle, bons nombres d’applications du GaN/Al2O3 nécessitent l’incorporation d’éléments tel que des terres rares, afin d’améliorer les propriétés intrinsèques (considérés comme dopants). L’implantation, qui consiste à bombarder le matériau avec des ions de faibles énergies (quelques dizaines à centaines de keV), est une des techniques utilisées. D’autre part, une partie des applications visées consiste également en l’intégration dans des dispositifs amenés à fonctionner en milieu hostile (satellite, aérospatial, environnement nucléaire, accélérateur de particules). En effet, dans l’espace, les dispositifs peuvent être soumis à des flux de particules venant des vents solaires (basses énergies) ou des rayonnements cosmiques (hautes énergies). Il est donc également important de connaitre le comportement du GaN/Al2O3 sous irradiation aux ions de hautes énergies (quelques dizaines voire centaines de MeV).

Interaction ion-matière

Lors d’une expérience d’irradiation, les ions vont pénétrer dans la matière et perdre de l’énergie tout au long de leur parcours suivant différents mécanismes, jusqu’à ce qu’ils se stoppent totalement dans la cible. Pour la gamme d’énergie des ions utilisés lors de cette thèse, deux régimes de perte d’énergie sont prépondérants : la perte d’énergie électronique, provoquée par les collisions inélastiques des ions avec les électrons (excitations électroniques) et la perte d’énergie nucléaire, provoquée par les collisions élastiques des ions avec les noyaux de la cible (interactions nucléaires). D’autres types d’interactions sont présents mais seront négligés par la suite en raison de leur très faible section efficace pour les gammes d’énergie utilisées.

Pouvoir d’arrêt nucléaire 

Les interactions nucléaires (collision d’un ion incident avec un noyau des atomes du matériau) se réalisent par chocs élastiques où la totalité de l’énergie cinétique du système est conservée lors du choc. La perte d’énergie nucléaire est notée Sn = -(dE/dx)n avec x la distance parcourue par le projectile et E l’énergie du projectile. Il est possible par la suite de déterminer l’énergie T transmise par les ions incidents aux atomes de la cible à l’aide de relation de la mécanique classique.

Le nombre de dpa est calculé à l’aide du logiciel SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) [3] basé sur la méthode Monte-Carlo. Deux méthodes peuvent être utilisées : celle qui utilise le formalisme de Kinchin et Pease, expliqué précédemment, ou la méthode dite « Full cascade ». Cette dernière permet de suivre la trajectoire de chaque ion individuellement ainsi que les déplacements provoqués sur les atomes. L’ion perd alors de l’énergie et s’arrête lorsqu’elle celle-ci est nulle. Le code permet donc de calculer la perte d’énergie du projectile et sa profondeur atteinte dans le matériau (Rp). La méthode en « Full cascade » est utilisée par la suite pour une meilleure comparaison des nouveaux résultats avec les précédentes études réalisées au laboratoire. De plus, ces deux méthodes ne parviennent pas à calculer précisément le nombre de défauts. En effet, une différence est présente, provoquée par d’autres mécanismes, pouvant se produire au sein des cascades où la concentration des défauts est très importante (recombinaison et agglomération de défauts, influence du réseau cristallin, …). Également, le nombre de dpa dépend de l’orientation cristalline, mais aussi beaucoup de la valeur de l’énergie seuil de déplacement des atomes Ts, qui n’est pas forcément connue très précisément.

Comportement de l’Al2O3 sous irradiation

A basse énergie 

A l’aide de la spectroscopie d’absorption optique, la formation de bandes d’absorption après irradiation a été mise en évidence. Après une irradiation aux ions Ar+ 170 keV pour des fluences atteignant 5×10¹⁴ ions/cm² , trois bandes d’absorption caractéristiques du saphir sont relevées [9]. Chaque bande peut être ensuite associée soit à des centres F+ (lacune anionique possédant un électron), soit à des centres F (lacune anionique possédant deux électrons) [10,11]. L’aire sous les bandes augmente en fonction de la fluence, ce qui est en lien avec le nombre de défauts créés au sein du matériau. Cependant, il est observé des variations sur le comportement de chaque bande d’absorption sous irradiation, ce qui implique différents régimes d’endommagement. L’origine de ces centres colorés a été déterminée par RBS (Rutherford BackScattering) en géométrie de canalisation . Les résultats ont mis en évidence que l’irradiation provoque un faible endommagement dans les sous réseaux d’aluminium alors que celui provoqué dans les sous réseaux d’oxygène est beaucoup plus important. La cinétique d’évolution de ce centre coloré est décrite comme étant la conséquence de la compétition entre la création de défauts dans le sous réseau oxygène et la recombinaison provoquée par la mobilité des paires de Frenkel (par l’augmentation de la température localement pendant l’irradiation).

Il a aussi été mis en évidence par microscopie électronique en transmission (MET), que le saphir s’endommage suivant différents régimes. Zinkle et al. [12] ont mis en évidence sur des échantillons d’Al2O3 polycristallins sous irradiation aux ions Ar 4 MeV que l’amorphisation dépend fortement de la température. A 80 K, le matériau est assez difficile à amorphiser ou seulement à très forte dose. A plus haute température (200 K), aucune formation de couche amorphe ou de cavité/défauts étendus n’est obtenue. Cependant à 300 K, le matériau ne s’amorphise pas, mais des boucles et des réseaux de dislocations sont présents . Ces boucles de dislocations vont alors provoquer un gonflement de la maille. Également, ce phénomène dépendant de la température, provient de la mobilité plus ou moins importante des défauts : la mobilité des défauts augmente en fonction de la température.

Table des matières

1 Introduction
2 État de l’art
2.1 Interaction ion-matière
2.1.1 Pouvoir d’arrêt nucléaire
2.1.2 Pouvoir d’arrêt électronique
2.2 Comportement de l’Al2O3 sous irradiation
2.2.1 A basse énergie
2.2.2 A haute énergie
2.2.2.1 Cas du simple impact
2.2.2.2 Cas de la haute fluence
2.3 Comportement du GaN sous irradiation
2.3.1 A basse énergie
2.3.2 A haute énergie
3 Partie expérimentale
3.1 Expériences d’irradiation
3.2 Techniques expérimentales
3.2.1 Échantillons utilisés
3.2.2 Techniques de caractérisation
3.2.2.1 Diffraction des rayons X
3.2.2.2 Nanoindentation
3.2.2.3 Spectroscopie Raman
3.2.2.4 Microscopie électronique en transmission
3.2.2.5 Spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford en canalisation
4 Modifications induites par irradiation dans l’α-Al2O3
4.1 Évolution des modifications structurales
4.1.1 Évolution des paramètres de maille
4.1.1.1 Observations des réflexions sous irradiation
4.1.1.2 Méthode d’analyse
4.1.1.3 Évolution de l’endommagement par l’étude de la déformation
4.1.2 Cinétique de la déformation
4.1.3 Étude de la texture
4.2 Analyses microstructurales
4.2.1 Par RBS/c
4.2.2 Par MET
4.3 Estimation des contraintes
4.3.1 Calculs des contraintes à l’aide de la DRX
4.3.2 Calculs des contraintes à l’aide de la spectroscopie Raman
4.4 Profil de l’évolution de l’endommagement
4.5 Conclusion
5 Modifications induites par irradiation dans le GaN
5.1 Évolution des modifications structurales
5.1.1 Évolution des paramètres de maille
5.1.1.1 Observations des réflexions sous irradiation
5.1.1.2 Évolution de l’endommagement par l’étude de la déformation
5.1.2 Étude de la texture
5.1.3 Cinétique de la déformation
5.2 Estimation des contraintes
5.2.1 Calculs des contraintes à l’aide de la DRX
5.2.2 Calculs des contraintes à l’aide de la spectroscopie Raman
5.3 Analyses microstructurales
5.4 Profil de l’évolution de l’endommagement
5.5 Possible effet du film mince GaN sur le substrat α-Al2O3 sous irradiation
5.6 Visualisation de l’effet du pouvoir d’arrêt nucléaire
5.7 Conclusion
6 Évolution des propriétés mécaniques sous irradiation
6.1 Introduction
6.2 Évolution des paramètres mécaniques dans le GaN
6.3 Évolution des paramètres mécaniques dans l’Al2O3
6.4 Conclusion
7 Conclusion et perspectives
Bibliographie

Lire le rapport complet