Thèse Caractérisation Chimique Avancée d'Hétérostructures Iii-V pour l'Optoélectronique et les Applications Radiofréquence en Utilisant le Fib-Tof-Sims et l'Haxpes H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : CEA LETI - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information Direction de la thèse : Eugenie MARTINEZ ORCID 0000000308892237 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-29T23:59:59 Les hétérostructures à base de semi-conducteurs III-V sont aujourd'hui utilisées dans de nombreux dispositifs de puissance et à haute fréquence ou encore pour l'optoélectronique. Des matériaux tels que les arsénieures (InGaAs, GaAsSb) et les phosphures (InP) sont connus pour leurs propriétés optiques et électroniques uniques. Des hétérostructures complexes sont en cours de développement pour les photodétecteurs et les transistors bipolaires à hétérojonction pour les futurs systèmes de communication sans fil pour la 6G. Ils reposent sur des empilements complexes de couches ultra-minces conçues pour obtenir un alignement de bandes approprié et permettre un transport optimal des électrons. La qualité de ces dispositifs nécessite un bon contrôle de leurs propriétés structurelles et chimiques. Les procédés de croissance épitaxiale doivent garantir une haute qualité cristalline, une composition chimique précise avec des interfaces abruptes, ainsi que des niveaux de dopage contrôlés afin d'assurer de bonnes performances électriques des dispositifs. Le principal défi consiste à réduire les phénomènes de ségrégation ou de redistribution des éléments, afin d'obtenir des interfaces abruptes. Un autre point crucial est de maîtriser l'incorporation des dopants pour atteindre des niveaux de dopage élevés et reproductibles. À cette fin, des techniques de caractérisation avancées sont nécessaires, en particulier pour étudier la chimie de ces hétérostructures. Le travail de thèse se concentrera sur le développement de méthodologies de caractérisation pour une analyse chimique 3D complète. L'approche expérimentale reposera principalement sur l'utilisation de la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) et de la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), avec une forte corrélation avec d'autres techniques telles que la microscopie électronique en transmission (HRTEM-EDX) et les mesures électriques en champ proche (SSRM). Heterostructures based on III-V semiconductors are nowadays used in many devices for radiofrequency applications, power electronics and optoelectronics. Materials such as arsenides (InGaAs, GaAsSb) and phosphides (InP) are known for their unique optical (direct bandgap) and electronic (high carrier mobilities) properties. Complex heterostructures are thus being developped for infrared detectors and for heterojunction bipolar transistors (HBT) designed for futur 6G wireless communication systems. They rely on complex stacks of ultra-thin layers (a few nm thick) engineered to achieve appropriate band alignment and enable optimal electron transport. The quality of these devices requires a good control of their structural and chemical properties. The epitaxial growth processes must ensure high crystalline quality, a precise chemical composition with sharp interfaces and controlled doping levels in order to guarantee good devices electrical performances. The main challenge is to reduce element segregation or redistribution phenomena, in order to achieve abrupt interfaces. Another crucial point is to achieve a good control of dopants incorporation to reach high and reproducible doping levels. For this purpose, advanced characterization techniques are required in particular to investigate the chemistry of such heterostructures. The thesis work will focus on the development of characterization methodologies for a complete 3D chemical analysis. This research will rely on the complementary expertise of LTM-CNRS in MOCVD growth processes and the expertise of CEA-Leti in materials characterization. Complex III-V heterostructures are being developped for photodetectors and heterojunction bipolar transistors (HBT) designed for futur 6G wireless communication systems. The objectives consist in the development of characterization methodologies for a complete 3D chemical analysis of these structures to optimize the epitaxial growth processes that must ensure high crystalline quality, a precise chemical composition with sharp interfaces and controlled doping levels in order to guarantee good devices electrical performances. At CNRS-LTM, the growth conditions will be optimized to achieve abrupt interfaces while reaching the desired composition, either uniform or with gradual contents. Carbon insertion as a new dopant known to be thermally more stable, is another challenge. The growth parameters will be optimized to reach high and reproducible carbon concentration levels.
The chemical characterization of such III-V heterostructures will be done using techniques available at CEA-Leti. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) will provide in-depth chemical profiles with high sensitivity and high depth resolution, by optimizing experimental conditions (beam parameters, sample rotation, cryo-ToF-SIMS). Direct investigations on cross-sections will also be done using a new SIMS instrument arriving mid-2027 equiped with a focus ion beam (FIB). This new tool will also offer an improved spatial resolution allowing a complete 3D chemical analysis. This will be of crucial interest to optimize the selective epitaxy required for the devices fabrication as well as to investigate potential dopants diffusion or segregation across the structures.
Complementary informations will be obtained with hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) allowing the non destructive chemical analysis of buried interfaces as well as the quantification of major elements across the structures. Scanning transmission electron microscopy (STEM) combined with electron dispersive spectroscopy (EDS) will also provide valuable structural and compositional information. Atomic Force Microscopy (AFM) will also be implemented using an advanced mode called scanning spreading resistance microscopy (SSRM) to investigate the dopants distribution across the structures.