Nucléation et croissance de III-V sur Si explorées in situ – NUAGES

Afin d'étudier la germination/croissance nous avons utilisé le microscope électronique en transmission Nanomax. Ce microscope est équipé des cellules à effusion nous permettant d'émettre des flux élémentaires des différents matériaux (arsenic, gallium, phosphore, indium...) nécessaires à l'épitaxie de semiconducteurs III-V. Nous avons mis au point des nano-substrats de silicium formés par une membrane de silicium d'épaisseur environ 100nm et de quelques microns de coté. Cette membrane de silicium est donc transparente aux électrons, on peut donc directement observer la croissance des couches épitaxiés en vue plane. La nano-membrane est tenue au niveau des coins par un support MEMS, lui même inséré dans un porte-échantillon disposant d'amenés de courant. Le chauffage de la membrane est obtenu par effet Joule.

Pour étudier spécifiquement les défauts comme les parois d'antiphase, nous avons également réalisé des observations en microscopie électronique en transmission STEM en vue plane après retrait sélectif du substrat de silicium. L’intérêt de cette microscopie uniquement sur la couche III-V épitaxiée est de pouvoir réaliser une analyse chimique à l'échelle nanométrique et de s'affranchir du contraste des dislocations d'interface entre le substrat et la couche épitaxiée.

Les expériences de croissance in-situ dans un microscope électronique en transmission de couches de semiconducteur III-V sur substrat silicium ont démontré pour tous les semiconducteurs étudiés (GaAs, InP, InAs et GaSb) un mode de nucléation en ilots (croissance 3D) avec relaxation plastique du désaccord paramétrique avant la coalescence des ilots. Ces études de croissance in-situ ont été réalisées dans un microscope électronique équipé de cellules à effusion collimatées sur la membrane de silicium utilisée comme nanosubstrat afin de limiter la contamination de la chambre objectif du microscope par l'ensemble des éléments III (gallium, indium) et éléments V (phosphore, arsenic, antimoine) utilisés. Pour cela nous avons mis au point un microsystème constitué par une nano-membrane de silicium tenu sur un support de type MEMs. Le chauffage de la membrane est obtenu par effet Joule car la membrane de silicium est dopée pour la rendre résistive. En contrôlant le courant parcourant la membrane, on contrôle la température du nanosubstrat. On étalonne par spectroscopie Raman la température de la membrane en fonction du courant qui la traverse (avant utilisation). L'épaisseur type des nano-membranes est d'environ une centaine de naomètres, afin de rester transparentes aux électrons et de pouvoir observer la croissance in-situ sur ces membranes.

Nous avons en particulier étudié la formation et le développement des parois d'inversion entre deux domaines de semiconducteurs III-V, ces parois d'inversion sont un défaut majeur dans les hétérostructures de semiconducteurs III-V épitaxiés sur substrat silicium orienté (100). Pour ce faire, nous avons réalisé des expériences de croissance in-situ mais également étudié des couches minces de semiconducteurs après retrait sélectif du substrat silicium. En effet le contraste du réseau de dislocations d'accommodation à l'interface (lié au désaccord paramétrique entre le semiconducteur III-V et le silicium) est très important et empêche/gène l'étude des parois de domaine pouvant s'étendre dans la couche. Notre but était de décrire aussi précisément que possible la structure atomique des parois d'inversion afin d'en modéliser les propriétés opto-électronique à l'aide de calculs DFT (Density Functional Theory). Nous avons également observé l'enrichissement en indium des parois d'inversion dans le cas de l'épitaxie de couche d'alliage InGaP comme d'InGaAs. On note que cet enrichissement est uniquement localisé aux deux plans cristallins placés de part et d'autre de la parois d'inversion (en particulier dans le cas des parois verticales orientées <110>).

Nous montré que les parois d'inversion dans les couches de semiconducteur GaP étaient systématiquement non stoechiométrique et apparaissait enrichies en gallium. On trouve d'ailleurs des segments de parois verticales orientées selon un plan cristallographique {110} et dans ce cas observer la formation d'une reconstruction de la parois avec des liaisons Ga-Ga. Cet enrichissement systématique en gallium explique le conducteur métallique tel que mesuré par microscopie AFM conducteur. Ces propriétés expliquent les excellents rendements observés lorsque ces hétérostructures GaP/Si sont utilisées pour fabriquer des cellules électrochimiques pour l'hydrolyse de l'eau (projet PEPR Nautilus). Les charges électriques (électrons-trous) générées dans la couche de semiconducteur après absorption d'un photon sont dirigées par les parois conductrices aux deux électrodes de la cellule électrochimique. Il reste à vérifier les propriétés structurales au niveau des parois d'inversion des autres alliages comme GaAs et GaSb pour être certain que ce qui a été démontré pour GaP et l'alliage InGaP est généralisable.

Par ailleurs, le fait de maîtriser la formation et la croissance de parois d'inversion en particulier grâce à la vicinalité des substrats de silicium doit rendre possible la réalisation de composants avancés comme le fabrication de guide d’onde en phosphure de gallium à orientation structurée

aux longueurs d’onde télécom pour la génération de second harmonique.