doc num

UNIVERSITÉ DES SCIENCES ET DE LA TÉCHNOLOGIE MOHAMED BOUDIAF
D’ORAN
FACULTÉ DES SCIENCES
DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
THÈSE
Présentée pour l’obtention du
Diplôme de Doctorat en-Sciences
Par
M. NOURI Abdelkader
Importance des spectroscopies électroniques pour la
caractérisation des matériaux
Soutenue publiquement devant le jury composé de :
Président Saïd HIADSI Professeur USTO
Rapporteur M’hamed BOUSLAMA Professeur ENSET-Oran
Co-encadreur Yves CAUDANO Chercheur qualifié FNRS FUNDP Namur
Examinateur Nouredine ZEKRI Professeur USTO
Examinateur Mohamed GHAFFOUR Maitre de conférences Univ. Mostaganem
Examinateur Yves MONTEIL Professeur Univ. CLAUDE. Bernard I

I
Remerciements
Avant tout, Louange est à Allah qui m’a donné la force et le courage pour mener à
bien ce travail.
C'est avec le plus grand plaisir que je m'apprête à exprimer mes sincères
remerciements aux différents acteurs qui ont participé, de près ou de loin, à l'obtention de ces
quelques résultats. En premier lieu, je remercie Monsieur M’hamed BOUSLAMA, Professeur
à l’ENSET d’Oran et directeur du LABMAT pour m'avoir accueilli dans son Laboratoire. Les
conditions de travail sont admirables, j’apprécie beaucoup son caractère humain connu par
tous.
Je remercie également, le Professeur Paul THIRY, Directeur du laboratoire LLS au
Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, Namur, Belgique (FUNDP) pour m’avoir
accueilli durant une année et demie, de détachement, dans son laboratoire ainsi que pour tout
ce qu’il a fait pour me faciliter l’intégration dans son équipe. Sa gentillesse et sa disponibilité
ont rendu le quotidien si facile au laboratoire.
Je remercie vivement les membres du jury d’avoir accepté d’évaluer le travail présenté
ici. En particulier Monsieur, Saïd HIADSI, Professeur à l’Université des Sciences et
Technologies (USTO) pour m’avoir fait l’honneur de le présider. J’exprime mes grandes
reconnaissances au Professeur Noureddine ZEKRI d'avoir accepté d’examiner ce travail avec
minutie et esprit critique, tous mes remerciements vont également à Messieurs, Mohamed
GHAFFOUR Maître de conférences à l’université de Mostaganem, et Yves MONTEIL,
Professeur du Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (LMI - UMR 56 15) à l’Université
Claude Bernard - Lyon 1, d’avoir accepté de m’honorer en examinant ce travail.
Finalement, je tiens à remercier Monsieur Yves Caudano, chercheur qualifié du FNRS
aux FUNDP, pour ses précieux commentaires, suggestions et remarques en tant que co-
encadreur, soit en phase expérimentale ou en rédaction de cette thèse et d’avoir accepté être
membre de jury.
Aussi, je remercie mes collègues au laboratoire LLS, et plus particulièrement,
j'aimerais exprimer mes profonds sentiments d’amitié à Ernest. La multitude de conseils et les
nombreux coups de main qu'il m'a donné ont, sans doute, contribué de façon certaine à
l'avancement de mon travail. Je remercie également mes amis Djamel, Hafid, Khaled et
Zoheir pour leurs encouragements et soutien moral durant mon séjour au FUNDP.

II
Dédicaces
A ceux qui me sont les plus chers(es)

III
Table des matières
REMERCIEMENTS...............................................................................................................................................I
DÉDICACES......................................................................................................................................................... II
TABLE DES MATIÈRES..................................................................................................................................III
TABLE DES FIGURES........................................................................................................................................V
LISTE DES TABLEAUX................................................................................................................................. VII
INTRODUCTION GÉNÉRALE ......................................................................................................................... 1
PREMIÈRE PARTIE: GÉNÉRALITÉS............................................................................................................ 4
PRINCIPE DE L’ANALYSE DES SURFACES................................................................................................ 5
Positionnement des spectroscopies électroniques....................................................................................................... 6
Différentes sortes de spectroscopies électroniques..................................................................................................... 8
Analyse des électrons émis par le solide .................................................................................................................... 8
Théorie de la spectroscopie d’électron Auger (AES) .................................................................................... 9
Historique et principe du phénomène Auger ............................................................................................................ 10
Nomenclature AES................................................................................................................................................... 13
Différentes transitions Auger possibles .................................................................................................................... 14
Traitement du spectre Auger : extraction du signal Auger «utile» ........................................................................... 15
Analyse quantitative du spectre Auger ..................................................................................................................... 17
Le déplacement des pics Auger et information chimique......................................................................................... 20
Profil de concentration ............................................................................................................................................. 21
Les applications de l’AES ........................................................................................................................................ 22
Particularités liées à l’étude des échantillons non-conducteurs et de couches adsorbées en AES ............................ 22
Phénomène de charge............................................................................................................................................... 22
Désorption stimulée.................................................................................................................................................. 23
Adsorption stimulée ................................................................................................................................................. 23
Spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons (EELS) ............................................................................... 24
Avantage de la spectroscopie EELS......................................................................................................................... 26
Sensibilité de surface en spectroscopie EELS .......................................................................................................... 26
Modèles d’interaction électron-matière.................................................................................................................... 27
Modèle de diffusion élastique................................................................................................................................... 27
Modèle de diffusion inélastique................................................................................................................................ 30
La spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons à haute résolution (HREELS)........................................ 31
Mécanisme dipolaire ................................................................................................................................................ 31
Mécanisme par impact.............................................................................................................................................. 31
La formulation diélectrique ...................................................................................................................................... 32
Spectre total des pertes............................................................................................................................................. 36
Programme de simulation des spectres HREELS (EELS et BOSON).......................................................... 37
BIBLIOGRAPHIE I ........................................................................................................................................... 39
DEUXIÈME PARTIE : DESCRIPTION DES DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX................................... 42
INTRODUCTION............................................................................................................................................... 43
LE BÂTI UHV.................................................................................................................................................... 43
Obtention et contrôle du vide :.................................................................................................................... 43
Description des chambres ........................................................................................................................... 45
(i) la chambre d’introduction.................................................................................................................................... 46
(ii) La chambre de préparation ................................................................................................................................. 46
(iii) La chambre d’analyse........................................................................................................................................ 46
Le spectromètre HREELS ........................................................................................................................................ 47
Programme d’acquisition.......................................................................................................................................... 53
L’analyseur utilisé pour les mesures de pertes d’énergie d’électrons EELS............................................... 54
Analyseur hémisphérique ......................................................................................................................................... 55
Diffraction des électrons lents (LEED) ....................................................................................................... 59

IV
BIBLIOGRAPHIE II.......................................................................................................................................... 62
TROISIÈME PARTIE : MATÉRIAUX ET MÉTHODES DE CROISSANCE ........................................... 63
PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX SEMI-CONDUCTEURS III-V.................................................................................. 64
Structure cristalline des composés III-V...................................................................................................... 64
La face (001) ............................................................................................................................................................ 65
La face (111) ............................................................................................................................................................ 65
La face
()
111 ...................................................................................................................................................... 66
La face (110) ............................................................................................................................................................ 66
La face (100) ............................................................................................................................................................ 67
Réseau réciproque d’une structure zinc blende......................................................................................................... 67
La structure des bandes d’énergie............................................................................................................... 68
Vibrations du réseau cristallin - Phonons................................................................................................... 71
Applications technologiques des semi-conducteurs III-V............................................................................ 73
Les hétérostructures III-V......................................................................................................................................... 73
Les applications en optoélectronique........................................................................................................................ 73
Le HEMT et les applications analogiques ................................................................................................................ 74
En télécommunication.............................................................................................................................................. 75
Les cellules solaires.................................................................................................................................................. 76
CROISSANCE ET PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS .......................................................................................... 78
Généralités sur la déposition chimique en phase vapeur............................................................................ 78
L’historique du processus MOCVD ......................................................................................................................... 78
Croissance de GaAsN, InGaAs et GaAsB par MOCVD.............................................................................. 79
Description du bâti d’épitaxie................................................................................................................................... 79
Mise en œuvre des précurseurs................................................................................................................................. 84
Elaboration des couches de BGaAs............................................................................................................. 87
Conditions de croissance .......................................................................................................................................... 87
Recuit et couche tampon........................................................................................................................................... 88
Procédure d’épitaxie des couches de BGaAs/GaAs.................................................................................................. 89
Elaboration des couches de GaAsN ............................................................................................................ 91
Elaboration des couches d’InGaAs ............................................................................................................. 93
Procédure de croissance des couches d’InGaAs....................................................................................................... 93
Conditions d’élaboration des couches d’InGaAs...................................................................................................... 94
BIBLIOGRAPHIE III........................................................................................................................................ 96
QUATRIÈME PARTIE : RÉSULTATS ET DISCUSSION........................................................................... 98
INTRODUCTION............................................................................................................................................... 99
Le système InGaAs/InP(100)....................................................................................................................... 99
Présentation des résultats Auger............................................................................................................................... 99
Nettoyage de la surface .......................................................................................................................................... 100
Homogénéité de la surface ..................................................................................................................................... 102
Étude en EELS ....................................................................................................................................................... 104
État de la surface de InGaAs/InP après recuit post-croissance ............................................................................... 105
Modèle schématique de la surface.......................................................................................................................... 107
Etude du système InxGa1-xAs/GaAs............................................................................................................ 107
Etude du système GaAsN/GaAs................................................................................................................. 114
Phonons de grandes longueurs d’onde...................................................................................................... 117
Les résultats LEED................................................................................................................................................. 117
Les résultats HREELS............................................................................................................................................ 119
Résultats de simulations ......................................................................................................................................... 122
BIBLIOGRAPHIE IV ...................................................................................................................................... 126
CONCLUSION GÉNÉRALE .......................................................................................................................... 128
ANNEXE A........................................................................................................................................................ 131
ANNEXE B........................................................................................................................................................ 135