la pulvérisation cathodique en continu

J'adresse mes sincères remerciements à M. Joël Gest, professeur à l'ULCO, pour l'accompagnement durant ces années. Je le remercie de m'avoir accueilli et de m'avoir permis de réaliser une partie de ces travaux au sein de son équipe de recherche à l'UDSMM de Dunkerque.

L’oxyde de zinc : Généralités

Applications du ZnO

• Capteurs de gaz
• Cellules solaires
• Diodes électroluminescentes
• Autres applications

En effet, plus la surface de la cellule est rugueuse, plus la lumière peut se diffuser dans le matériau (voir Figure I-5). L'onde acoustique est produite à la surface de la couche de ZnO grâce à la différence de potentiel appliquée aux électrodes [21].

Propriétés du ZnO

• Structure cristalline
• Propriétés électriques
• Propriétés optoélectroniques
• Propriétés optiques
• Propriétés thermiques

37] ont montré une évolution différente de la résistivité électrique du ZnO dans les couches minces en fonction de la température de dépôt. Les auteurs attribuent l'évolution de la mobilité à la différence de taille des cristallites en fonction de la température de dépôt.

Synthèse du ZnO en couche mince

• Processus chimique
• Processus physique

La capacité thermique spécifique, également appelée chaleur spécifique, est un paramètre qui définit la chaleur nécessaire pour augmenter la température de l'unité de masse du matériau de 1°C. Le principal inconvénient de la méthode sol-gel est la faible épaisseur du dépôt, de l'ordre de quelques 10 nm par pas.

Conclusion

Esen, Dependence of film thickness on the structural and optical properties of ZnO thin films, Appl. Jacquet, Influence of annealing temperature on the properties of ZnO thin films deposited by thermal evaporation, Appl.

Caractérisations microstructurales

Dépôt par pulvérisation cathodique

Pendant le temps de dépôt, la vitesse d'injection du plasma créé par l'argon était contrôlée à 50 cm3/min et la couleur du plasma était violette. La puissance du plasma et la durée du dépôt ont été évaluées en fonction de l'épaisseur de film souhaitée.

Croissance de la couche mince : modèle de Thornton

Le modèle de Thornton nous montre clairement à quel point la structure des couches de ZnO pulvérisées peut être différente en fonction des conditions de dépôt. Connaissant la température de fusion Tf du ZnO (1975 °C), le modèle Thornton nous indique que nos échantillons doivent être situés dans la zone T (Ts /Tf < 0,24).

Techniques de caractérisations

• Microscope Electronique à Balayage
• Microscope à Force Atomique
• Diffraction des Rayons X

La microscopie à force atomique est utilisée pour visualiser quantitativement la topographie de la surface de l’échantillon. Le signe de ce paramètre indique que la couche a subi une contrainte de compression (négative) ou d'extension (positive) selon l'orientation de la croissance de la couche (axe c).

Influence du traitement thermique

• Influences de la température de dépôt T s
• Influence de la température du recuit ex-situ à l’air T a
• Influence du recuit in-situ
• Comparaison entre les traitements thermiques effectués pendant et après dépôt . 52

Nous montrons sur la Figure II-13 l'évolution de la rugosité mesurée par AFM, en fonction de la température de dépôt du film. La figure II-21 (b) présente la variation de la position 2θ en fonction de la température de recuit Ta. L'évolution de la contrainte résiduelle reste la même selon que l'on augmente la température de recuit ou la température de dépôt.

Conclusion

Liu, The effects of substrate temperature on the structure and properties of ZnO films prepared by pulsed laser deposition, Vacuum 82 (2008) pp. Mansingh, Influence of post-deposition annealing on the structural and optical properties of sputtered zinc oxide films, J. Liaw, Influence of post-deposition annealing on the properties of ZnO films prepared by RF magnetron sputtering, J.

Caractérisations électriques

Mesures en courant continu

• Résultats expérimentaux
• Etude de la résistivité du ZnO

La figure III-2 montre un exemple de lecture de résistance en fonction de la distance entre les cales étalons. On peut cependant estimer que la valeur de la résistance de contact est inférieure à quelques centaines d’ohms. Dans le cas de la mesure de la tension entre les plages 1 et 3, on peut déduire de la figure III-3 la valeur de la résistance R23 du matériau entre les plages 2 et 3.

Bruit électronique dans un matériau

• Généralités
• Informations issues de la mesure de bruit
• Dispositifs de mesure

La transition de la bande de conduction (pour les électrons) ou de la bande de valence (pour les trous) au piège est la recombinaison. A partir de ces relations, nous voyons que la densité spectrale du bruit thermique d'un dipôle passif dépend de la température mais également de sa résistance électrique : c'est-à-dire que le diagramme de chaîne de mesure du bruit de tension équivalent est représenté sur la figure III -9.

Mesures de bruit en 1/f des contacts électriques

Pour mettre en évidence le bruit des contacts, nous avons utilisé les 2 configurations de mesure décrites précédemment : .. i) Configuration (I23 - SV23) : les spectres de bruit du matériau sont obtenus en injectant le courant entre les contacts 2 et 3 et en mesurant le bruit entre les mêmes contacts. Dans ce cas, on mesure le bruit des contacts ajouté au bruit du matériau. ii) Configuration (I23 - SV14) : Les spectres de bruit du matériau sont obtenus en injectant le courant entre les contacts 2 et 3 et en mesurant le bruit entre les contacts 1 et 4. Dans ce cas on mesure uniquement le bruit généré par la résistance de contact 3 .

Bruit en 1/f du ZnO

• Description des échantillons étudiés
• Résultats expérimentaux

On note que les valeurs de [αµ] pour les couches de ZnO sont comprises entre 38 cm2/Vs et 652 cm2/Vs. Ces valeurs sont bien supérieures à celles obtenues dans des couches homogènes d'Or, de poly Si et de poly SiGe qui sont de l'ordre de 3×10-2 cm2/Vs [26]. En effet, les échantillons déposés à température ambiante (n°2 et n°3), diffèrent par la durée du dépôt et par le traitement thermique après dépôt et ont des valeurs quasi identiques de [αµ] : 98 cm2/Vs et 102 cm2 respectivement / Vs.

Impact de la structure cristalline sur le bruit en 1/f

• Modélisation de la structure
• Description de l’échantillon étudié
• Résultats expérimentaux

L'observation du pic (002) nous montre clairement que la croissance de la couche est perpendiculaire à la surface du substrat, conformément au schéma des chemins de conduction électrique dans la configuration de mesure longitudinale (voir Figure III-21). On voit que l'évolution logarithmique de la résistance fait apparaître une pente (-6) en fonction du diamètre des cales étalons φ conformément à la relation (III-29). Les valeurs [αµ] mesurées dans le sens de croissance de la couche dépendent relativement peu du diamètre des cales étalons.

Influence de l’éclairement UV sur le bruit en 1/f

• Description de l’échantillon étudié
• Résultats expérimentaux
• Modèle descriptif

La longueur, la largeur et l'épaisseur de la couche totale sont définies respectivement par L, W et t. L'épaisseur, la densité de porteurs libres et la mobilité de la couche supérieure sont xt (0 < x < 1), nl et µl. Initialement, nous supposons que l’échantillon est complètement dans l’obscurité et ne comprend que la couche inférieure (x = 0).

Conclusion

Une étude en fonction de la température de dépôt Ts a montré que la résistance électrique continue diminue à mesure qu'elle augmente. Ce phénomène est lié à l'évolution structurelle des couches produites en fonction de la température de dépôt. Le bruit obtenu dans le sens transversal (parallèle à la couche) est supérieur à celui obtenu dans le sens longitudinal (perpendiculaire à la couche).

Caractérisations thermophysiques

Techniques photothermiques

Ces techniques nécessitent l'utilisation d'une source lumineuse, soit sous forme d'impulsion très courte dans le domaine temporel, soit sous forme de lumière continue modulée périodiquement en intensité dans le domaine fréquentiel. Il s'agit d'une technique non destructive et sans contact adaptée à l'étude des matériaux solides pour caractériser le comportement optique et thermique de notre matériau réalisé en couche mince par pulvérisation continue sur substrat de verre.

Radiométrie photothermique infrarouge (PTR)

La réponse du matériau à l'excitation lumineuse dépend des propriétés optiques et thermiques de l'échantillon (diffusivité thermique, épanchement thermique) [6]. Le signal électrique récupéré en sortie du détecteur S(f) est directement lié à la variation de la température de surface de l'échantillon T(f) [6]. S f = K f × T f (IV-1) où f correspond à la fréquence de modulation d'intensité de l'excitation lumineuse, K(f) est un facteur de proportionnalité, qui dépend de la géométrie du système, de la fonction de transfert de l'électronique de mesure et l'émissivité du matériau.

Signal photothermique

• Expression de la température oscillante de surface
• Expression du signal normalisé

D'après les équations (IV-1) et (IV-2), on constate que le signal électrique mesuré S(f) est proportionnel à la température de surface de l'échantillon et dépend des caractéristiques électroniques de la chaîne de mesure K(f). Le signal ainsi normalisé dépend des propriétés optiques et thermiques de l'échantillon que l'on souhaite déterminer et de celles des milieux adjacents (air et substrat) et qui sont connues. L'expression (IV-6) sera ensuite utilisée pour établir différentes méthodologies de détermination des paramètres optiques et thermiques de l'échantillon.

Etude de la sensibilité du signal aux paramètres optiques et thermiques de

• Effet de l’épaisseur du substrat sur le signal photothermique
• Sensibilité du signal au coefficient d’absorption optique de l’échantillon
• Sensibilité du signal à la capacité thermique de l’échantillon
• Sensibilité du signal à la conductivité thermique de l’échantillon

Par conséquent, nous avons simulé l’amplitude et la phase du signal normalisé pour différentes épaisseurs de substrat. Pour évaluer l'influence de la conductivité thermique de l'échantillon sur le signal photothermique, nous avons déterminé la capacité thermique et fait varier la conductivité thermique du ZnO. La figure IV-6 montre l'évolution de l'amplitude et de la phase du signal pour différentes valeurs de conductivité thermique.

Montage expérimental

Enfin, en combinant toutes les sensibilités du signal avec le paramètre d'épaisseur du substrat, le coefficient d'absorption optique, ainsi que les paramètres thermiques, c'est donc dans la gamme de fréquence à partir de 0,1 Hz que le signal doit être analysé. En raison de la faiblesse de l'émission infrarouge produite par l'échantillon, deux miroirs paraboliques "Miroir métallique parabolique hors axe à 90°". Compte tenu des résultats de simulation du paragraphe IV.4, nous avons effectué des mesures entre 0,1 Hz et jusqu'à la fin de la bande passante de l'électronique de mesure, soit 100 kHz.

Evaluation des paramètres par l’ajustement numérique

• Résultats ajustés à basse fréquence
• Résultats ajustés à haute fréquence

Après avoir déterminé le coefficient d'absorption optique β1 pour le ZnO ainsi que pour le verre β2, nous essayons dans cette section d'obtenir les paramètres thermiques (capacité et conductivité thermique) par ajustement numérique à l'aide du signal mesuré dans une gamme de fréquence comprise entre 1kHz et 100kHz. Le signal mesuré sur l'échantillon et le signal sur le carbone vitreux dans ce domaine fréquentiel sont donnés respectivement sur la Figure IV-12) et la Figure IV-13). La conductivité thermique k1 ne peut être déterminée en raison de l'insensibilité du signal à ce paramètre (voir Figure IV-16). Pour ce faire, nous avons étudié l’évolution du signal photothermique sur une large gamme de fréquences.

Evaluation des paramètres par une approche analytique

• Expression simplifiée du signal normalisé à basse fréquence
• Détermination analytique du coefficient d’absorption optique

Cette simulation nous a donc permis de valider l'expression (IV-11) pour la détermination du coefficient d'absorption optique β1. En appliquant l'expression (IV-11) au signal mesuré à basse fréquence, nous avons obtenu une évolution du coefficient d'absorption optique du ZnO en fonction de la fréquence (voir Figure IV-20). Ceci confirme la validité de la procédure d'approche analytique pour déterminer le coefficient d'absorption optique de l'échantillon.

Conclusion

À cette température critique, nous avons observé que la taille des cristallites continuait d’augmenter en fonction de la température de recuit, alors qu’elle diminuait légèrement avec la température de dépôt. Une étude relative à la température de dépôt a montré que la résistivité électrique continue diminue à mesure qu'elle augmente. En fonction de la température de dépôt, la résistivité électrique diminue continuellement à mesure qu'elle augmente.