Simulation et caractérisation expérimentale des défauts dans les semiconducteurs et composés à base nitrures

Les semi-conducteurs III-nitrures ont des propriétés physiques uniques telles qu'une mobilité élevée des électrons, une vitesse de saturation élevée, une bande interdite directe et accordable, un coefficient d'absorption élevé et une stabilité thermique et une conductivité élevée. En raison de ces propriétés physiques exceptionnelles, les semiconducteurs III-nitrures sont des matériaux prometteurs pour de nombreuses applications électroniques et optoélectroniques telles que les diodes électroluminescentes (LED), les diodes laser (LD), les cellules solaires, les transistors à haute mobilité électronique (HEMT), les capteurs, les dispositifs térahertz et les dispositifs thermoélectriques à haute température. Cependant, de nombreux défis scientifiques et technologiques doivent encore être résolus. Par exemple, il est difficile de contrôler les défauts en raison du manque de substrats natifs.

Cet axe de recherche de l'équipe PM2E s’intéresse à la simulation et à la caractérisation expérimentale des défauts structuraux dans les semiconducteurs et composés à base nitrures. Nous développons des techniques de caractérisation expérimentale (microscope à transmission haute résolution, diffraction de rayons X, …) et de simulation numérique (dynamique moléculaire, méthode ab-initio, …) pour étudier ces matériaux. L'accent est mis sur le dialogue expérience/simulation via une approche multi-échelle, allant de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique. Le but est avant tout d'aider soit à optimiser la qualité des matériaux existants, soit de participer à la mise au point de nouveaux matériaux.

La contribution aux développements industriels est au cœur des préoccupations de l'équipe. Nous sommes fortement impliqués dans la recherche visant à optimiser la qualité des matériaux et les performances des dispositifs à base d’hétérostructures ((Al,In,Ga)N/GaN, ZnO/GaN, AlN/NbN…) destinés aux transistors à haute mobilité électronique, à travers des projets collaboratifs au niveau national et européen, en partenariat avec l’industrie.

Les matériaux III-Nitrures sont synthétisés par épitaxie selon trois principales techniques, l’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM), l’épitaxie en phase vapeur aux hydrures (EPVH) et l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Ces matériaux restent un sujet de recherche intense tant en épitaxie, qu’en caractérisation et développement de dispositifs. L’amélioration de la qualité de la couche épitaxiée de ces matériaux est influencée par les paramètres de croissance tels que la couche de nucléation, le recuit thermique, la température de croissance, le rapport III/V, la pression, l’épaisseur… Pour venir en aide au expérimentateurs, l’équipe développe également des outils pour la simulation de la croissance numérique des couches III-V en vue de caractériser et proposer des pistes d’amélioration pour optimiser les propriétés des couches épitaxiées.