Thèse Année : 2025

Atomic-Scale Numerical Simulations of Radiation-Induced Damage in Semiconductors

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

Résumé

Since the 2010s, space exploration has experienced a resurgence, driven by private companies making access to space more affordable. However, the space environment remains hostile due to galactic cosmic rays and solar flares, which damage electronic circuits in space equipment. Protecting microelectronic technologies against radiation is therefore critical to ensuring mission success. Martian rovers, such as Curiosity and Perseverance, exemplify these challenges. Without Earth's protective atmosphere and magnetic field, they endure intense radiation, necessitating reinforced electronic systems like the RAD750 processor. On the International Space Station (ISS), digital sensors are altered by energetic particles, causing dead pixels and impacting scientific operations. On Earth, high-radiation environments like nuclear power plants pose similar challenges. In all these contexts, understanding interactions between radiation and electronic components is key to improving their resilience. Radiation is classified into two main categories: ionizing and non-ionizing. Non-ionizing radiation displaces atoms in crystals, creating collision cascades that generate material defects, degrading semiconductor performance, such as parasitic currents in imaging sensors. These phenomena, occurring on extremely short timescales, are difficult to observe experimentally. As such, numerical simulation tools are essential for exploring various aspects of particle-matter interactions, with experimental validations ensuring scientific rigor. Among the studied materials, gallium nitride (GaN) has gained increasing attention for its unique properties: wide bandgap, high electron mobility, excellent thermal conductivity, and enhanced radiation resistance. These characteristics make GaN an ideal candidate for applications in extreme environments. This thesis investigates GaN's radiation resistance using a multi-scale simulation approach. The tools employed include: Monte Carlo simulations, to model initial particle-atom interactions. Molecular dynamics (MD), to study the ballistic phase and defect formation. Ab initio molecular dynamics (MD-DFT), for a more precise understanding of atomic interactions, particularly in evaluating the threshold displacement energy (TDE).

Depuis les années 2010, l'exploration spatiale connaît un renouveau, porté par des entreprises privées rendant l'accès à l'espace plus abordable. Cependant, l'environnement spatial reste hostile, notamment à cause des rayons cosmiques galactiques et des éruptions solaires, qui endommagent les circuits électroniques des équipements spatiaux. La protection des technologies microélectroniques contre ces radiations est donc cruciale pour assurer la réussite des missions spatiales. Les rovers martiens, comme Curiosity et Perseverance, illustrent bien ces défis. Privés de l'atmosphère protectrice et du champ magnétique terrestre, ils subissent des radiations intenses, nécessitant des systèmes électroniques renforcés, comme le processeur RAD750. À bord de la Station spatiale internationale (ISS), les capteurs numériques sont altérés par ces particules énergétiques, produisant des pixels morts et affectant les opérations scientifiques. Sur Terre, des environnements à haute radiation, tels que les centrales nucléaires, posent des défis similaires. Dans tous ces contextes, comprendre les interactions entre les radiations et les composants électroniques est essentiel pour améliorer leur durabilité. Les radiations sont classées en deux catégories principales : ionisantes et non-ionisantes. Ces dernières, en déplaçant les atomes dans les cristaux, créent des cascades de collision, qui provoquent des défauts dans les matériaux, dégradant les performances des semi-conducteurs, comme l'apparition de courants parasites dans les capteurs d'images. Ces phénomènes, se déroulant à des échelles de temps extrêmement courtes, sont difficiles à observer expérimentalement. Ainsi, les outils de simulation numérique jouent un rôle clé. Ils permettent d'explorer différents aspects des interactions particule-matière, tout en s'appuyant sur des validations expérimentales. Parmi les matériaux étudiés, le nitrure de gallium (GaN) suscite un intérêt croissant grâce à ses propriétés uniques : large bande interdite, haute mobilité électronique, excellente conductivité thermique, et résistance accrue aux radiations. Ces caractéristiques font de GaN un candidat idéal pour des applications en environnements extrêmes. Cette thèse explore la résistance du GaN aux radiations en utilisant une approche de simulation multi-échelles. Les outils employés comprennent : Monte Carlo, pour modéliser les interactions initiales entre particules et atomes. Dynamique moléculaire (MD), pour examiner la phase balistique et la formation des défauts. Dynamique moléculaire ab initio (MD-DFT), pour une compréhension plus précise des interactions atomiques, notamment pour évaluer l'énergie de déplacement seuil (TDE).

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tel-05099761 , version 1 (05-06-2025)
tel-05099761 , version 2 (15-07-2025)

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Identifiants

  • HAL Id : tel-05099761 , version 2

Citer

Julien Parize. Atomic-Scale Numerical Simulations of Radiation-Induced Damage in Semiconductors. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Toulouse, 2025. English. ⟨NNT : 2025TLSES016⟩. ⟨tel-05099761v2⟩
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