Première étape de la croissance de GaN sur Si(111) : la nucléation d'AIN

par Arnaud Le Louarn

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Massies.

Soutenue en 2006

à Nice , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) .

mots clés

• Microscopie tunnel à balayage
• Électrons de haute énergie -- Diffraction
• Épitaxie par faisceaux moléculaires
• Diagrammes de phases
• Nitrure de silicium
• Nitrure d'aluminium
• Nitrure de gallium

Résumé

Ce travail concerne l'étude de la nucléation d'AlN sur Si(111), première étape nécessaire à la croissance de GaN sur ce substrat. En effet, les détails de la réalisation de cette étape, en particulier l'ordre de l'exposition de la surface Si(111) à Al et à NH3, jouent un rôle déterminant sur les propriétés finales des couches épitaxiales de GaN. Sur la base d'un dispositif expérimental couplant sous ultra-vide un microscope à effet tunnel (STM) et un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires, l'objectif de cette thèse était d'identifier et de comprendre les différents mécanismes mis en jeu dans la nucléation d'AlN sur Si(111). Dans un premier temps, nous avons mené une étude détaillée des différentes phases pouvant résulter de l'adsorption d'Al sur Si(111) et dressé un diagramme de phases d'Al sur Si(111). Dans un second temps, nous avons identifié les différents types de surfaces pouvant résulter de la nitruration de Si(111) par NH3. Nous avons finalement montré que l'exposition d'une surface de type Al sur Si(111) à NH3 conduit à la formation d'AlN amorphe alors que le dépôt d'Al sur une surface Si(111) nitrurée conduit à la formation d'une couche épitaxiale d'AlN par un mécanisme de réduction de la surface nitrurée par Al.

Titre traduit

First stage of GaN growth on Si(111) : AIN nucleation

Résumé

This work deals with the study of AlN nucleation on Si(111), the needed first stage for the growth of GaN on this substrate. Indeed, details of the realization of this stage, in particular the exposure sequence of Si(111) to Al and NH3, play a key role on final properties of GaN epitaxial layers. Based on an experimental setup coupling under ultra-high vacuum a scanning tunnelling microscope (STM) and a molecular beam epitaxy chamber, the purpose of this thesis was to identify and understand the mechanisms at work in AlN nucleation on Si(111). At first, we studied in details the different phases resulting of Al adsorption on Si(111) and we established a phase diagram of Al on Si(111). Subsequently, we identified the different types of surfaces which can result from Si(111) nitridation by NH3. Finally, it is demonstrated that NH3 exposure on an “Al on Si(111)” type surface leads to amorphous AlN formation while Al exposure on a Si(111) nitrided surface leads to epitaxial AlN formation by a reduction mechanism of the nitrided surface by Al