PL de boîtes de différentes tailles

Nous allons commencer la description des propriétés optiques des BQs [11-20] en présentant des spectres de PL obtenus pour des boîtes de tailles différentes. Comme nous ne savons pas encore précisément dans quelles mesures les paramètres de croissance influencent la luminescence des BQs, nous ne présenterons que les spectres obtenus sur trois séries d’échantillons fabriqués dans les mêmes conditions mais pour des quantités de GaN déposées différentes. Les trois familles d’échantillons de la Figure 2.14 devront être comparées entre elles avec prudence car les substrats et les conditions de croissance sont différents.

Les spectres de PL de la Figure 2.14(a) proviennent des premiers échantillons de boîtes de GaN/AlN plan a obtenus au laboratoire. Sur un substrat de SiC [11-20] dopé, un buffer d’AlN de 28 nm est déposé, suivi d’un plan de BQs de GaN obtenu à 700°C en condition riche gallium, puis d’un espaceur de 20 nm d’AlN, et enfin d’un second plan de boîtes identiques en surface pour les études AFM. La quantité déposée de GaN varie de 4 à 35 monocouches, et les hauteurs de boîtes observées de 2.2 à 6.2 nm avec un rapport d’aspect entre diamètre et hauteur d’environ 10. Mais les boîtes qui luminescent à basse énergie ont plutôt l’aspect de gros îlots coalescés dont la hauteur sature quand on augmente la quantité de GaN déposée. Ces échantillons correspondent donc plutôt à des îlots de tailles données posés sur un puits qui s’épaissit. C’est pourquoi il est préférable de représenter dans l’encart de la figure (a) l’énergie de transition en fonction de la quantité de GaN déposé plutôt qu’en fonction de la taille des boîtes. Contrairement aux hétérostructures plan c, l’énergie de luminescence tend vers une valeur limite, quand le confinement diminue. Le fait que la luminescence de certaines boîtes ait lieu sous le gap du GaN massif laisse supposer que la transition est encore influencée par de l’effet Stark. Mais pour être rigoureux, il faudrait considérer le gap de GaN contraint dans le plan (11-20), ce qui d’une part est difficile à calculer dans cette orientation et d’autre part demande de connaître précisément l’état de contrainte du GaN dans les boîtes (ce qui n’a pas encore été fait). De plus l’intensité de luminescence des deux échantillons qui émettent à plus basse énergie est très faible, et leur spectre ressemble plus à une bande de défauts qu’à un pic de boîtes. Comme le prévoyaient les calculs précédents, le comportement des BQs plan a est très différents de celui des BQs plan c. En orientation polaire, des boîtes de 5 nm de hauteur, par exemple, émettraient 1 eV sous le gap, alors qu’ici elles luminescent autour de 3.5 eV et avec une intensité plus grande.

Les échantillons de la Figure 2.14(b) sont des superréseaux de BQs faits dans les mêmes conditions que les précédents, mais avec des quantités de GaN moindres. Dans cette série, l’énergie de luminescence semble tendre vers une valeur limite située au dessus du gap de GaN. Pourtant, comme celà a été vérifié en TEM, les plans de boîtes ont tendance à onduler de plus en plus lorsque l’on se rapproche de la surface, ce qui devrait augmenter les interfaces GaN/AlN le long de l’axe [0001] et donc le champ électrique interne latéral. A cause d’un problème de sur- estimation de la vitesse de croissance de l’AlN, les espaceurs déposés entre deux plans de BQs sont trois fois plus fins que prévus, et ne parviennent pas à relisser complètement la surface. Dans ce cas, les boîtes, qui ont tendance à se former les unes au dessus des autres, vont engendrer une ondulation des couches épitaxiées. Malgré cela, l’effet Stark ne semble pas dominer la luminescence. Cette série illustre aussi un comportement assez général dans nos échantillons : plus la luminescence est haute en énergie, plus le spectre est large. Les propriétés de confinement expliquent bien cet effet, puisque pour une fluctuation de hauteur de boîte donnée, la variation de l’énergie de transition sera d’autant plus grande que le confinement est grand. En présence d’un fort effet Stark confiné quantique, les spectres à plus basse énergie seraient aussi élargis à cause

du champ électrique F (d’une quantité environ égale à ∆E=-eF∆L, où E, L et e sont respectivement l’énergie de transition, l’épaisseur du PQ, et la charge élémentaire).

Enfin, les échantillons de la Figure 2.14(c) sont très similaires à ceux de la Figure 2.14(a), mais sont faits à plus haute température (750°C et non plus à 700°C). Nous avons vu au chapitre 1 qu’en travaillant à plus haute température, il est possible d’obtenir des boîtes moins hautes, moins denses et de tailles mieux contrôlées. Les hauteurs de boîtes n’étant pas toute déterminées précisément dans cette série, nous avons représenté, ici encore, l’énergie de luminescence en fonction de la quantité de GaN déposé. Comme d’habitude, les spectres se décalent vers les basses énergies et s’affinent quand le nombre de monocouches augmente. Des statistiques AFM d’échantillons similaires montrent que des BQs émettant à 3.88 eV ont des dimensions de 1.6 nm x 19 nm alors que celles qui luminescent à 3.68 eV sont de 2.6 nm x 25 nm. Les formes latérales des îlots étant plutôt rectangulaires ou trapézoïdales, nous ne donnons ici qu’un rayon moyen. Comme il est difficile d’estimer le gap contraint de GaN dans les BQs et que l’épaisseur de la couche de mouillage n’est pas connue, la simulation de l’énergie de transition en fonction de la hauteur des boîtes, réalisée avec notre programme, donne des résultats très approximatifs. Nous discuterons plus en détail de l’épaisseur de la couche de mouillage à la fin de ce chapitre.

Figure 2.14 – Spectres de PL de trois séries d’échantillons de BQs de GaN/AlN plan a obtenues

chacunes dans les mêmes conditions, mais avec des quantités de GaN déposées différentes. (a) Chaque échantillon contient un plan enterré et un plan en surface de boîtes obtenu à 700°C ; les trois spectres les plus bas en énergie correspondent à des BQs très coalescées. (b) Super-réseau de BQs du même type mais pour des quantités déposées de GaN ne dépassant pas 6 monocouches, et un espaceur d’AlN anormalement faible (induisant des ondulations des plans de boîtes). (c) Série d’échantillons contenant un plan enterré et un plan en surface de BQs obtenus à 750°C.

(a) (b)

Nous avons étudié des séries d’échantillons de BQs de GaN/AlN plan a différant par la quantité de GaN déposé. Les spectres de PL mesurés s’affinent et se décalent vers les basses énergies quand la quantité de GaN augmente et le maximum du signal de luminescence semble tendre vers une limite située autour du gap non contraint de GaN.