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NanoSciences de Paris
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Le nitrure de gallium ou le mystère du sous-réseau azote

 

 

 

 

Le nitrure de gallium (GaN) est un composé semi-conducteur aux nombreuses applications en micro et optoélectronique. Lorsqu’il est employé dans le domaine spatial ou médical, ce matériau est soumis à des bombardements électroniques ou ioniques qui déplacent les atomes d’azote et de gallium du réseau cristallin. Une grande quantité de défauts de type lacunes et interstitiels est ainsi engendrée (Figure 1), ce qui nuit au bon fonctionnement des composants électroniques.
Alors que des recherches intensives sont menées depuis plusieurs années pour identifier ces défauts, aucun lié à l’azote n’avait pu être mis en évidence expérimentalement. Récemment, deux chercheurs de l’équipe « Couches nanométriques : formation, interfaces et défauts » de l’INSP ont franchi un cap en couplant une étude expérimentale par spectroscopie RPE (résonance paramagnétique électronique) avec une modélisation des caractéristiques des défauts (interactions hyperfines et tenseur de Landé, figures 2 et 3).

 

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Figure 1

a) Schéma d’une collision élastique entre une particule incidente (en orange) avec un atome d’azote (en bleu) du cristal de GaN. b) Le déplacement de l’atome d’azote laisse une lacune (cercle rouge) et l’atome éjecté devient un interstitiel qui diffuse pour former un défaut de type ‘dumbbell’ (en rouge) avec un atome d’azote du cristal. La structure du ‘dumbbell’ d’azote a été calculée dans un cristal de h-GaN et elle est présentée ici pour la configuration basse température et pour un état de charge neutre du défaut.

Nous avons focalisé notre recherche sur les lacunes et les atomes interstitiels d’azote produits en grand nombre sous l’effet des chocs élastiques avec des protons, des électrons et des ions de haute énergie. En adaptant les conditions d’irradiation et le dopage initial des échantillons et en s’appuyant sur une étude menée par spectroscopie d’annihilation des positons (PAS), nous avons mis en évidence les lacunes d’azote. Nous avons montré que les atomes d’azote interstitiels, quant à eux, se regroupent à température ambiante systématiquement par paires, localisées sur un site azote. Ce type de défaut, nommé ‘dumbbell’ en raison de sa forme d’haltère, est connu dans d’autres semi-conducteurs tels que le diamant ou le carbure de silicium. Nous avons observé que la stabilité thermique de ces ‘dumbbells’ d’azote est faible : un recuit à 400°C induit une modification de leur structure qui pourrait être le prélude à une modification structurale importante.

 

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Figure 2

Spectres RPE attribués au dumbbell d’azote dans un échantillon de GaN irradié . La structure fine observée sur ce signal est identique pour des mesures à 9 GHz et 34 GHz ce qui l‘identifie comme structure résultant de l’interaction entre le spin électronique S=1/2 du défaut et les spins nucléaires de son environnement. La modélisation montre que cette structure reflète une interaction avec les deux atomes d’azote du ‘dumbbell’ et deux atomes de Ga voisins. (N.B. : Les isotopes de 69Ga et 71Ga possèdent un spin nucléaire I=3/2 et l’azote 14N un spin I=1)

 

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Figure 3

En rouge : représentation de la densité de spin électronique (électron paramagnétique) autour du ‘dumbbell’.

 

Ce résultat remet en cause les interprétations proposées jusqu’ici pour expliquer la dégradation des performances des composants électroniques à base de GaN sous irradiations. Des études complémentaires seront nécessaires pour déterminer le rôle exact que jouent les défauts identifiés dans la modification des processus de transports électroniques au sein des composants soumis à des conditions extrêmes.

Référence

« Identification of the Nitrogen Split Interstitial (N-N)(N) in GaN »
von Bardeleben, H. J. - Cantin, J. L. - Gerstmann, U. - Scholle, A. - Greulich-Weber, S. - Rauls, E. - Landmann, M - Schmidt, W. G. - Gentils, A. - Botsoa, J.- Barthe, M. F.
Physical Review Letters, Vol. 109 (Nov. 2012)

Contacts :

H.J. von Bardeleben
Jean-Louis Cantin