Multiscale simulation of atomic displacements induced by radiations into materials employed in microelectronic applications

Modélisation des effets de déplacements atomiques induits par irradiation dans les matériaux pour la microélectronique Les domaines de l'ingénierie spatiale et nucléaire requièrent le développement et l'utilisation de composants opto et microélectroniques spécifiques. Or, pour des applications dans les domaines cités, les composants sont immergés dans des environnements fortement radiatifs et sont donc soumis à des flux importants de particules énergétiques qui dégradent leur fonctionnement en induisant la formation de charges libres par ionisation de la matière ainsi que la création de défauts cristallins par déplacements atomiques. Ce dernier mécanisme est le sujet de la présente thèse. D'un point de vue technologique, les effets des déplacements atomiques sont assez bien connus. Par exemple, on sait qu'ils sont responsables d'une forte augmentation du courant d'obscurité mesuré dans les capteurs d'images, ou de la perte de puissance maximale délivrée par les cellules photovoltaïques. En revanche, les origines physiques fondamentales des effets mesurés technologiquement sont encore sujettes à débat. Les difficultés rencontrées quant à l'établissement du lien entre la physique et les effets observés dans les technologies résident en partie dans la durée extrêmement courte des temps caractéristiques (de la femtoseconde à la picoseconde pour une collision atomique par exemple) des phénomènes dynamiques en jeu dans les premiers instants de la dégradation d'un composant, rendant impossible ou extrêmement compliquée la réalisation d'expériences. C'est la raison pour laquelle, dans cette thèse, nous avons recours à la simulation numérique afin de mieux comprendre le lien entre phénomènes physiques et effets observés et ainsi prédire la réponse des matériaux utilisés en microélectronique aux effets de déplacements atomiques. Une chaîne de simulation multi-échelle, décrite dans ce manuscrit, a été développée en ce sens, permettant de simuler tout le processus de déplacements atomiques : l'interaction particule-matière en Monte Carlo, la propagation de la cascade de collisions dans la matière en Dynamique Moléculaire, la guérison des structures endommagées en Monte Carlo-cinétique et enfin la caractérisation ab initio de l'activité électronique des défauts suspectés comme responsables de la dégradation de composants. Toutes les étapes, excepté la dernière, ont été adressées dans cette thèse. Plus spécifiquement, nous nous sommes appliqués à améliorer la seconde étape de Dynamique Moléculaire en insistant sur le caractère stochastique des cascades de collisions et sur l'inclusion des effets électroniques. En particulier sur ce dernier aspect, une méthode basée sur des calculs ab initio de Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendante du Temps est utilisée. Les résultats des études effectuées dans le but d'améliorer l'étape de Dynamique Moléculaire sont décrits dans la thèse. De plus, les trois premières étapes de la chaîne de simulation sont appliquées à Si, Ge et aux alliages Si-Ge, et les résultats obtenus présentés dans le manuscrit.