Généralités sur les Propriétés des Oxydes Métalliques et Semi-conducteurs III-V

Parmi les méthodes de contrôle non destructif, qui utilise les ultrasons dans une gamme de fréquence allant du méga Hertz au giga Hertz, nous citons la microscopie acoustique. Cette technique permet d’extraire les propriétés élastiques des matériaux [1-3]. Ses avantages résident essentiellement dans la quantification des constantes élastiques des matériaux de façon locale. De plus, la possibilité de pénétrer les matériaux optiquement opaques [4]. Les microscopes acoustiques en général ont été conçus pour étudier la structure d’un échantillon en particulier au dessous de la surface. Les premières techniques de microscope acoustique furent celle du SAM (Scanning Acoustic Microscopy) [5] et celle du SLAM (Scanning Laser Acoustic Microscopy) [6,7]. On trouve que le microscope acoustique à balayage (SAM) [8,9] qui constitue la dernière génération de l’avancée technologique est le moyen le plus approprié pour l’utilisation aussi bien en qualitative (imagerie) qu’en quantitatif [10-12]. Cet instrument utilise un disque transducteur et une lentille sphérique afin de produire un jet d’ondes incident. Dans ce travail, nous nous intéressons à l’étude des matériaux, dans le domaine élastique et dont l’état d’un solide peut être caractérisé par : (i) les déformations qui résultent des modifications des positions des particules, soumise à des déplacements sous l’action des forces extérieures et (ii) les contraintes qui apparaissent dans un solide déformé. Ces contraintes se transmettent de proche en proche par les forces de liaison entre atomes [13-18]. L’étude du comportement des matériaux sous l’effet de la pression est l’un des objectifs principaux de ce travail [19]. Afin de comprendre ce comportement, il est important de connaitre leurs propriétés élastiques. Pour atteindre cet objectif, nous étudions les propriétés élastiques de plusieurs types de matériaux (oxydes métalliques et semiconducteurs). Nous déterminons leurs coefficients de réflexion, signatures acoustiques, spectres de FFT, vitesses de Rayleigh et leurs constantes élastiques sous différentes pressions.

Généralités sur les Propriétés des Oxydes Métalliques et Semi-conducteurs IIIV

Les matériaux semi conducteurs jouent un rôle très important dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques. C’est grâce aux travaux réalisés par L. Esaki et R. Tsu en 1970 [1], sur les couches minces en semi-conducteurs ainsi que leurs applications, que la recherche scientifique a été bien avancée sur les principales propriétés des hétérostructures semi-conductrices. Récemment, des caractérisations ont été effectuées à l’aide des méthodes ultrasonore en mode de réflexion pour l’investigation des matériaux en générale et des semi-conducteurs en particulier. Cette technique permet la détermination de différentes propriétés acoustiques (coefficients de réflexion R(θ), signatures acoustiques V(z) ainsi que leurs transformées rapide de Fourier, FFT) de plusieurs matériaux qui ne sont pas de la même nature. Ainsi, dans ce chapitre, nous avons :

✓ donné les principales propriétés électronique, optique, mécanique et élastique des matériaux étudiés ; XO (X= Ba, Sr, Ca, Mg et CdO) et GaY (Y= N, P et As)
✓ présenté la méthodologie ainsi que les différentes étapes de calcul afin d’expliquer comment fonctionne notre logiciel de simulation. Aussi, quelles sont les conditions nécessaires aux investigations.
✓ Expliqué la méthode de calcul des vitesses acoustiques du mode de Rayleigh, VR, et les constantes élastiques : Module de Young, E, et celui de cisaillement, G.

DÉFINITIONS

Les matériaux semi-conducteurs de type III-V présentent en général une bonne mobilité électronique grâce à leur bande interdite directe. Ces composés sont constitués d’un ou de plusieurs éléments de la colonne III (tel que : Bore, Galium, Aluminium, etc.) et des éléments de la colonne V (tel que : Arsenic, Antimoine, Phosphore, etc.) du tableau de Mendeleïev.

Dans le présent travail, nous nous sommes intéressés auxcomposés à base de galium (Ga) avec du nitrure (GaN), du phosphore (GaP) ou de l’arsenic (GaAs) dont les applications couvrent plusieurs domaines. Nous citons particulièrement l’optoélectronique comme diodes lasers, cellules solaires, etc. et l’électronique comme transistors [2].

Par contre, pour les oxydes métalliques qui sont composés d’un oxyde et d’un métal, nous avons par exemple : l’oxyde de Barium (BaO), l’oxyde de Calcium (CaO), l’oxyde de Strontium (SrO), l’oxyde de Magnésium (MgO) et l’oxyde de Cadmium (CdO). On note :

✓ Ces oxydes ont un comportement semi-conducteur à hautes température (de 400 à 800°C).
✓ Ils sont très utilisés comme capteurs de gaz aussi comme autonettoyants (photocatalyse).
✓ Ils sont des agents de vulcanisation des élastomères halogénés ; un système de vulcanisation à base d’oxyde de Zinc (ZnO) et d’oxyde de Magnésium (MgO) est généralement très utilisé.

STRUCTURES

Oxydes métalliques

Tous les métaux forment des oxydes avec l’oxygène à cause de l’agressivité du dioxygène qui recouvre tous les métaux d’une fine couche d’oxyde (même l’or). L’intérêt est de savoir si la couche formée va protéger le métal en dessous (phénomène appelé passivation) ou pas (comme le fer). Sans cette couche d’oxyde, une barre de métal coupée en deux se recollerait par simple contact.

Enfin, les oxydes font partie plus généralement de la famille des composés de l’oxygène au même titre que les peroxydes, les super- oxydes et les ozonures [4].

PROPRIÉTÉS PHYSIQUES

Les composés incluant du bord, de l’aluminium, ou de l’azote et le phosphure de gallium ont en général peu d’intérêt pour l’électronique rapide qui demande des semiconducteurs à forte mobilité de porteurs, ou pour l’optoélectronique où une structure de bande directe est nécessaire pour que les transitions optiques soient efficaces. Par ailleurs, les éléments lourds, comme le thallium ou le bismuth, donnent des composés à caractère métallique. Pour des applications électroniques et optoélectroniques, on considérera donc essentiellement les composés à base de gallium (GaAs, GaSb), ou d’indium (InP, InAs, InSb), dont les propriétés sont les plus intéressantes [7].

La formation d’alliages ternaires comme AlxGa1-xAs ou InxGa1-xAs permet d’ajuster certaines propriétés comme la largeur de la bande interdite (pour les applications optoélectronique), la mobilité des porteurs (pour les applications électroniques) ou encore la constance de réseau, importante pour la croissance épitaxiale sur des substrats silicium par exemple.

Propriétés électroniques 

Les modes de conduction électrique des oxydes de métaux de transition sont régis par le comportement des électrons externes des cations, c’est-à-dire ceux placés dans les couches périphériques. Deux grandes théories limites peuvent décrire les électrons périphériques dans les solides : la théorie des électrons collectifs (théorie des bandes) et la théorie des électrons localisés [9]. L’allure générale des bandes d’énergie est la même pour tous les composés III-V. La plupart de ces matériaux possèdent un gap direct (excepte: GaP, AlAs, AlSb ou Al), c’est-adire que le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande conduction sont situés au centre de la zone de Brillouin, en k=0 .

Table des matières

INTRODUCTION GÉNERALE
CHAPITRE I : GÉNÉRALITÉS SUR LES PROPRITÉS DES OXYDES MÉTALLIQUES ET SEMI-CONDUCTEURS III-V
I.1 INTRODUCTION
I.2 DÉFINITIONS
I.3STRUCTURES
I.3.1 Oxydes métallique
I.3.2 semi-conducteurs III-V
I.4 PROPRIÉTES PHYSIQUES
I.4.1 Propriétés électroniques
I.4.2 Propriétés optiques
I.4.3 Propriétés mécaniques
a) Dureté
b) Résistance à la rupture
I.5 NOTION DE PRESSION
I.6 AVANTAGES ET INTERETS DES MATÉRIAUX ÉTUDIÉS
I.7 MÉTHODOLOGIE
I.7.1. Etapes de calcul
a) Formule du coefficient de réflexion
b) Détermination du coefficient de réflexion sans pression
c) Formulation de la signature acoustique
d) Analyse spectrale des signatures acoustiques via FFT
I.7.2. Conditions de simulation
I.8 PROPRIÉTÉS ÉLASTIQUES DES MATÉRIAUX ÉTUDIÉS
I.8.1 Propriétés élastiques des oxydes métalliques
I.8.2 Propriétés élastiques des composés GaN, GaP et GaAs
I.9 PROCÉDURE DE CALCUL DES VITESSES DE RAYLEIGH
I.9.1 Onde de Rayleigh
I.9.2 Méthode de calcul de la vitesse de Rayleigh
I.10 CALCUL DES CONSTANTES ÉLASTIQUES
I.10.1 Module de Young
I.10.2 Module de cisaillement
I.11 CONCLUSION
CHAPITRE II: MICROCARACTERISATION ACOUSTIQUE DU MgO ISOTROPE ET ANISOTROPE SOUS PRESSION
II.1 INTRODUCTION
II.2 CARACTÉRISATION DU MGOISOTROPE SOUS PRESSION
II.2.1 Influence de la pression sur les coefficients de réflexion
II.2.2 Influence de la pression sur les signatures et spectres de FF
II.2.3 Effet de la pression sur la vitesse de Rayleigh
II.3 CARACTÉRISATION DU MgOanisotrope SOUS PRESSION
II.3.1 Effet de la pression sur les coefficients de réflexion
a) Analyse des coefficients pour MgO<100>
b) Analyse des coefficients pour MgO <110>
c) Analyse des coefficients pour MgO <111>
II.3.2 Effet de la pression sur les signatures acoustiques et spectres de FFT
a) La structure eau/MgO<100>
b) La structure eau/MgO<110>
c) La structure eau/MgO<111>
II.3.3 Effet de la pression la vitesse de Rayleigh
a)Variation de vitesse de Rayleigh en fonction de P pour MgO<111>
b) Variation de vitesse de Rayleigh en fonction de P pour MgO<100>
c)Variation de vitesse de Rayleigh en fonction de P pour MgO<110>
II.4 CALCUL DES CONSTANTES ÉLASTIQUES
II.5 COMPARAISON DES RÉSULTATS DU MgO ISOTROPE ET ANISOTROPE
II.5.1 Influence de l’anisotropie et de la pression sur l’efficacité de génération
II.5.2 Influence de la pression sur les vitesses de Rayleigh normalisées
II.6. CONCLUSION
CHAPITRE III: ÉTUDE DE L’EFFET DE LA PRESSION SUR LES PROPRIÉTÉS ACOUSTIQUES DES OXYDES MÉTALLIQUES ET DES SEMI-CONDUCTEURS
III.1 NTRODUCTION
III.2 ÉTUDE DE L’EFFET DE LA PRESSION SUR LES PROPRIÉTÉS ACOUSTIQUES DES MATÉRIEUX XO (X= Ba, Ca, Sr, Mg et Cd)
III.2.1 Effet de la pression sur les coefficients de réflexion
III.2.2 Effet de la pression sur les signatures acoustiques et spectre de FFT
III.2.3 Effet de la pression sur les vitesses de Rayleigh
III.2.4 Détermination des constantes élastiques
III.2.5 Etude de la transition de phase dans les oxydes métalliques
a) Calcul de la distance interatomique
b) Relation pression de transition et distance interatomique
III.3 PROPRIÉTÉS ÉLASTIQUES DES MATÉRIAUX GaY SOUS PRESSION
III.3.1 Analyse des coefficients en fonction de la pression
III.3.2 Variations des signatures acoustiques et des spectres de FFT
III.3.3 Effet de la pression sur la vitesse de Rayleigh
III.3.4 Influence de la pression sur les constantes élastiques
III.3.5 Pression De Transition
III.4 CONCLUSION
CONCLUSION

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