Instabilité de croissance dans les couches épitaxiées contraintes

• Auteur / Autrice : Alexis Solere
• Direction : Louis Porte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée, surfaces et interfaces
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, optoélectronique et microsystèmes (Ecully, Rhône ; 1995-2006)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Microscopie tunnel à balayage

Nanostructures

Énergie de surface

Mots clés libres

Semiconducteurs III-V, couches contraintes, croissance épitaxiale, sursaturation, microscopie à effet tunnel, transition 2D-3D, nanostructures, énergie de surface, énergie de bord de marche, énergie de contrainte

Résumé

Instabilité de croissance dans les couches épitaxiées contraintes. Etude par microscopie à effet tunnel du système In1-xGaxAs / InP (001). La croissance hétéroépitaxiale de films semiconducteurs contraints manifeste une instabilité morphologique: la croissance évolue d'un mode couche par couche vers un mode par îlots tridimensionnels. La compréhension physique de ce phénomène est impotante tant pour la réalisation d'interfaces planes qui est recherchée pour les applications microélectroniques que pour l'élaboration de nanostructures dont le caractère quantique pourrait conduire à de nouvelles applications. L'étude par microscopie à effet tunnel (STM) menée dans ce travail concerne le système III-V In1-xGaxAs contraint sur InP (0011̅) qui, selon la composition x choisie, permet d'obenir une contrainte compressive (x<0,47;ε<0) ou tensile (x>0,47;ε>0). Les rôles du signe et de l'amplitude de la contrainte sont ainsi étudiés en suivant le comportement en croissance de quatre systèmes contranits: GaAs (ε=+3,8%), In0,25Ga0,75As (ε=-2%), In0,82Ga0,18As (ε=-2%) et InAs (ε=-3,1%). Par ailleurs, l'importance des conditions de sursaturation sur la croissance des couches a été mise en évidence en utilisant deux protocoles de croissance: sursaturation arsenic pour l'un, sursaturation cation pour l'autre. Dans des conditions de croissance standard, sous pression d'arsenic majoritaire, une transition 2D-3D du mode de croissance brutale est observée en compression; elle conduit à la formation d'îlots tridimensionnels fiaires, étirés dans la direction[11 ̅0] et répartis sur toute la surface. Le déclenchement de l'instabilité est d'autant plus précoce et l'anisotropie de forme d'autant plus marquée que la contrainte est forte. En tension, l'instabilité se manifeste par un processus continu de rugosification qui mène, à terme, à une morphologie 3D anisotrope également allongée suivant [11 ̅0]. Losque les espèces d'élément III sont excédentaires (stabilisation cationique), le mode de croissance couche par couche est maintenu, et ce jusqu'à l'observation des premiers effets plastiques. De telles morphologies 2D sont par ailleurs stables vis-à-vis d'un recuit en température. L'ensemble des résultats peut se comprendre en considérant la compétition entre énergie de marche-qu'il faut créer pour avoir des structures 3D- et énergie de relaxation- qui est rendue possible par la création des marches. La formation de structures filaires s'explique par la grande différence d'énergie entre marches A[1 1 0] et marches B [11 ̅0]. L'absence de transition 2D-3D s'interprète bien par une grande énergie de marches pour la surface à terminaison cationique; la transition 2D-3D ne peut alors se produire avant que n'apparaissent les premiers effets plastiques. De même, le comportement non symétriqueentre compression et tension indiquerait une énergie de marche plus faible en tension qu'en compression; la création de marches dans les couches en tension serait toujours favorisée. Le modèle met également en évidence les effets de surcontrainte locale, au bas des marches, qu'il est nécessaire de considérer pour expliquer la formation des structures filaires lors de la transition 2D-3D.

Unstability in the growth of epitaxially strained layers. Study by scanning tunneling microscopy of the system In1-xGaxAs / InP (001). The heteroepitaxial growth of semiconducting strained films shows a morphological unstability: the growth evolves from a layer-by-layer growth mode towards a three-dimensional mode with islands. Understanding the physics of this phenomenon is of a great importance as for the realization of flat interfaces that is sough-after for microelectronic applications as for the elaboration of nanostructures whose quantum character could drive to novel applications. The scanning tunneling microscopy (STM) study developed in this work concerns the III-V system In1-xGaxAs strained on InP (001) which, according to the chosen composition x, allows to obtain a compressive (x<0,47;ε<0) or a tensile (x>0,47;ε>0) strain. The roles of the sign and of the intensity of the strain are thus studied by following the growth behavior of four strained systems: GaAs (ε=+3,8%), In0,25Ga0,75As (ε=-2%), In0,82Ga0,18As (ε=-2%) and As(ε=-3,1%). Moreover, the importance of the supersaturation conditions on the layers growth has been proved by using two different protocols: supersaturation of arsenic as a first and cationic supersaturation as the other. In standard growth conditions, with an excess of arsenic prssure, an abrupt 2D-3D transition in the growth mode is observed in the compression case; it leads to the formation of wire-shaped three-dimensional islands that are extended in the [1 1 0] direction and spread out the whole surface. The starting of the unstability is all the earlier and the anisotropic shape is all the more pronouced since the strain is strong. In the tension case, the unstability appears through a continuous roughening process which results, at the end, in a 3D anisotropic [11 ̅0]-oriented morphology. When the elements III are in majority (cation-rich stabilization), the layer-by-layer growth mode is preserved, and this until the first plastic defaults occur. Such 2D morphologies are stable against thermal annealing. The whole results can be described through a model, considering the competition between step energy-steps are necessary to create 3D structures- and relaxed strain energy-relaxation becomes possible through steps creation. The formation of wire-shaped structures can be explained by the large difference in the energy of A-steps ([11 ̅0]-oriented) and B-steps([11 ̅0]-oriented). The absence of 2D-3D transition can be sucessfully interpreted by a high step energy on cation-stabilized surfaces; the 2d-3D transition cannot then occur before the first plastic defaults appear. Also, the non-symmetrical behavior between compression and tension would indicate a weaker step energy in the tensile case than in compression; the steps creation in layers under tension would always be favored. Moreover, the model points out local overstrain effects, at the bottom of the steps, which must be considered to justify the formation of wire-shaped structures during the 2D-3D transition.