Thèse Année : 2025

Atomic-Scale Numerical Simulations of Radiation-Induced Damage Semiconductors

Simulations numériques à l'échelle atomique des dommages induits par les radiations dans les semi-conducteurs

Résumé

Microelectronic is essential to many fields that operate in radiation environments such as nuclear power plants, large physics instruments or space. But microelectronic present in such hostile environment can be permanently or temporarily damaged, compromising the success of the mission for which they are used. These effects on microelectronic components at the macroscopic scale come from different atomic scale physical phenomena depending mainly on the nature of the radiative environment. Since the early 2010s, Gallium Nitride (GaN), a semiconductor with potentially intrinsic radiation-resistant properties, has become the subject of major interest for different applications and is the subject of this study. Using numerical simulation methods, i.e molecular dynamics and ab initio calculations, we study the displacement effects in GaN. The displacement cascades are simulated with different energies and directions in order to get statistical meaningful results. As in silicon, germanium and gallium arsenide, displacement cascades in GaN generate a large number of defects, but contrary to those three other semiconductor materials, the healing phase in GaN is much more efficient at the studied energy and only a very small number of defects remains. This metal-like self-annealing behavior appears to be a result of the high density and compactness of GaN’s crystalline structure. To better understand the defect formation in this material, the threshold displacement energy (TDE) has also been evaluated using both molecular dynamics and ab initio molecular dynamics. The results reveal notably high TDE values, especially for nitrogen atoms, the significantly heavier! Ga atoms acting as a barrier during the displacement of N atoms.

La microélectronique est essentielle dans de nombreux domaines opérant dans des environnements irradiants, tels que les centrales nucléaires, les grands instruments de physique ou encore l'espace. Cependant, la microélectronique présente dans de tels environnements hostiles peut être endommagée de façon permanente ou temporaire, compromettant ainsi le succès de la mission pour laquelle elle est utilisée. Ces effets sur les composants microélectroniques à l’échelle macroscopique résultent de différents phénomènes physiques à l’échelle atomique, en fonction principalement de la nature de l’environnement radiatif. Depuis le début des années 2010, le nitrure de gallium (GaN), un semi-conducteur présentant potentiellement des propriétés intrinsèques de résistance aux radiations, suscite un intérêt majeur pour diverses applications et constitue l’objet de cette étude. En utilisant des méthodes de simulation numérique, notamment la dynamique moléculaire et les calculs ab initio, nous étudions les effets de déplacement dans le GaN. Les cascades de déplacement sont simulées avec différentes énergies et directions afin d'obtenir des résultats statistiquement significatifs. Comme dans le silicium, le germanium et l’arséniure de gallium, les cascades de déplacement dans le GaN génèrent un grand nombre de défauts. Cependant, contrairement à ces trois autres matériaux semi-conducteurs, la phase de réparation dans le GaN est beaucoup plus efficace à l’énergie étudiée, et seul un très petit nombre de défauts subsiste. Ce comportement d’auto-recuit, semblable à celui d’un métal, semble être le résultat de la forte densité et de la compacité de la structure cristalline du GaN. Afin de mieux comprendre la formation des défauts dans ce matériau, l’énergie seuil de déplacement (TDE) a ég! alement été évaluée à l’aide de la dynamique moléculaire et de la dynamique moléculaire ab initio. Les résultats révèlent des valeurs de TDE particulièrement élevées, notamment pour les atomes d’azote, les atomes de gallium, significativement plus lourds, agissant comme une barrière lors du déplacement des atomes d’azote.

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Citer

Julien Parize. Atomic-Scale Numerical Simulations of Radiation-Induced Damage Semiconductors. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université toulouse 3 Paul Sabatier, 2025. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-05099761v1⟩
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