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Comportement des semiconducteurs de structure wurtzite à base d’azote sous implantation d’ions terres rares de moyenne énergie
Florence GLOUX
IRAMIS/CIMAP
Vendredi 31/10/2008, 10h30
CIMAP Caen,

Soutenance le Vendredi 31 octobre 2008 à 10h30 en salle des thèses - Sciences 3.

Manuscrit de la thèse.

Résumé :

L'endommagement par l'implantation ionique d'ions lourds de terre rares à 300 kV dans les seminconducteurs GaN et AlN de structure wurtzite a été étudié. En effet, des résultats sur la nature de l'endommagement de GaN à température ambiante montraient des divergences vis-à-vis du comportement conventionnel. L’objectif de ce travail été de contribuer à la compréhension du mécanisme d'endommagement de GaN. L'évolution en fonction de la fluence de la nature et de la distribution des défauts a été caractérisée par microscopie électronique en transmission. Le comportement de l'AlN a été étudié en parallèle. L'étude a montré qu'à partir d'une fluence seuil, une couche de structure nanocristalline est formée depuis la surface de GaN, tandis qu'une amorphisation se produit dans le volume pour AlN. Ces comportements différents ont été corrélés aux distributions des fautes d'empilement basales et prismatiques générées dans les deux matériaux. Nous avons aussi abordé l’étude de procédés destinés à éviter la formation de la couche nanocristalline qui se décompose très rapidement lors de recuits thermiques (~500°C) pourtant nécessaires à l’activation des dopants. L'application d'une température élevée pendant l'implantation réduit la densité des fautes d'empilement mais conduit à une érosion de surface. L'implantation à travers une couche ultramince d'AlN épitaxiée à la surface du GaN permet de repousser la fluence seuil d'un ordre de grandeur. Cette couche ultramince constitue également une protection de la surface de GaN et elle permet d’envisager un recuit thermique post-implantation aux hautes températures nécessaires (≥1300°C) pour espérer réaliser des dispositifs luminescents.

Mots-clés : Nitrure de gallium; Nitrure d'aluminium; Ions - - Implantation; Terres Rares; Cristaux - - Défauts; Microscopie électronique en transmission.


Behaviour of wurtzite nitride semiconductors implanted with medium energy rare earth ions

Abstract:

This PhD dissertation has been devoted to the investigation of the structural damage formed by medium energy rare earth heavy ions implanted in wurtite GaN and AlN semiconductors. Indeed, contradictory results about the nature of the damage formed in GaN at room temperature had reported discrepancies with the conventional behaviour. The aim of this present work was to contribute to understand the damage formation mechanism in GaN during such ion implantations. To this end, the evolution of the nature and distribution of defects versus rare earth ion fluence was analyzed by transmission electron microscopy. The behaviour of AlN was studied for comparison. From a threshold fluence, a nanocristalline layer appeared from the GaN surface while in AlN, amorphization took place from the bulk. These behaviours were correlated to the different distributions of basal and prismatic stacking faults distributions that were generated in the two materials during the ion implantation. Subsequently, this research has also dealt with procedures which may be used to avoiding the formation of the nanocristalline GaN surface layer which rapidly decomposed at attempts to annealing, even at low temperatures (~500°C). Implantation at high temperature led to a decrease of the stacking faults density but erosion from the surface took place. Implanting through a thin AlN cap epitaxially grown on GaN surface allowed to increase the nanocristallization threshold fluence by an order of magnitude. The AlN cap was shown to protect the GaN surface from decomposition with the aim of carrying out high temperature annealing (≥1300°C) required for rare earth activation and luminescent devices fabrication.

Contact : Serge BOUFFARD

 

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