Caractérisations structurales

L’épitaxie de miroirs (Al,Ga)N / GaN sur un pseudo-substrat de GaN aboutit à la fissuration du film pour un faible nombre d’alternances de Bragg. Entre les fissures, la qualité structurale des miroirs est comparable à celle du pseudo-substrat de GaN. La densité de

dislocations traversantes est généralement inférieure à 8 cm

10

5× -2_{. Des caractérisations par} microscopie électronique en transmission ont permis de vérifier que les interfaces (Al,Ga)N / GaN étaient abruptes [4]. Cependant, étant donné que les fissures sont incompatibles avec la réalisation de diodes électroluminescentes à cavité résonante, nous ne détaillerons pas plus les caractérisations structurales de ces miroirs.

L’insertion d’un film d’AlN épitaxié à basse température ou d’un super-réseau AlN/GaN a permis d’éviter la fissuration des miroirs de Bragg (cf. § 2.5). Cependant, la relaxation des contraintes s’accompagne, dans ce cas, d’une augmentation importante de la densité de dislocations traversantes (cf. Figure 2-13). Ces dislocations sont majoritairement de type a. Leur densité s’élève à plus de _5×109 cm-2_{. L’efficacité quantique interne des diodes} électroluminescentes est fortement réduite lorsqu’elles sont épitaxiées sur un film dont la densité de dislocations traversantes est si élevée. Par conséquent, nous avons privilégié la croissance des miroirs de Bragg sur un pseudo-substrat d’(Al,Ga)N.

L’utilisation d’un pseudo-substrat d’(Al,Ga)N permet de réaliser la croissance d’un miroir en accord de maille sur le pseudo-substrat. Aucun phénomène de relaxation plastique des contraintes ne devrait donc altérer la qualité structurale des matériaux constitutifs du miroir. L’état de contraintes des miroirs ainsi épitaxiés peut être analysé par diffraction des rayons X. La Figure 4-13 représente la cartographie du réseau réciproque obtenue autour des pics (1015) et (1015) sur une structure de diode électroluminescente à cavité résonante comprenant un miroir de Bragg 10× (Al,Ga)N / GaN et un pseudo-substrat d’(Al,Ga)N épitaxié sur GaN sur saphiri. Les pics du GaN et de l’(Al,Ga)N des alternances du miroir de Bragg sont alignés verticalement avec le pic correspondant au pseudo-substrat d’(Al,Ga)N. Ces différents matériaux ont donc le même paramètre de maille dans le plan de base. La croissance du miroir a été cohérente sur le pseudo-substrat d’(Al,Ga)N. En ce qui concerne le GaN, il se trouve dans deux états de contraintes différents suivant qu’il constitue le pseudo- substrat ou qu’il est inséré dans le miroir de Bragg : celui présent dans le miroir de Bragg subit une compression plus importante. L’alignement des différents pics du GaN permet d’ailleurs de vérifier que la contrainte est biaxiale avec un coefficient de Poisson biaxial

a c biax ε ε

ν =− proche de 0,5.

i _{La composition en Aluminium des différents films de cette structure est détaillée dans le à la page} 122.

Figure 4-13 : cartographie par DRX du pic (1015) (a) et (1015) (b) pour la structure de diode électroluminescente à cavité résonante comprenant un miroir de Bragg 10× (Al0,27Ga0,73N / GaN) et un pseudo-substrat d’Al0,16Ga0,82N épitaxié sur GaN sur saphir.

Une étude des différents pics asymétriques accessibles avec le diffractomètre utilisé a permis d’affiner la détermination de la composition et de la contrainte des différents films de cette structure. Les résultats sont détaillés dans le Tableau 4-1. Les matériaux constituant les pseudo-substrats sont en compression du fait de la contrainte thermo-élastique. La compression du film d’Al0,16Ga0,84N est plus faible que celle du GaN. Il semble donc que l’Al0,16Ga0,84N n’ait pas été entièrement relaxé à température de croissance. Son taux de relaxation estimé à température de croissance, est toutefois d’environ 84 %. Les films d’(Al,Ga)N insérés dans le miroir subissent une contrainte en tension, la contrainte thermo- élastique ne compensant pas la contrainte d’épitaxie. Leur déformation dans le plan de base, estimée à température de croissance, vaut approximativement 3,8x10-3. Le pic dû au pseudo- substrat de GaN étant très intense, la déformation du GaN des alternances du miroir n’a pu être déterminée directement. A partir de la carte du réseau réciproque, on peut toutefois l’estimer approximativement à à température ambiante, soit environ

lors de la croissance du miroir (à 1100 °C).

3 10 2 , 3 × − − _−1,2×10−3

film matériau x (%) 104 ×εxx (Al,Ga)N 26,6 ±0,5 16,9 ±5 miroir de Bragg GaN 0 - pseudosubstrat (Al,Ga)N 16,0 ±0,4 -12,6 ±3 pseudosubstrat GaN 0 -18,1 ±3

Tableau 4-1 : composition en Aluminium (x) et déformation dans le plan de croissance (εxx) des alternances de Bragg d’un miroir de Bragg (Al,Ga)N/GaN et des pseudo-substrats (Al,Ga)N et GaN sur lesquels ils ont été épitaxiés.

Les mesures de déformation que nous venons de détailler, mettent en évidence qu’aussi bien le pseudo-substrat d’(Al,Ga)N et le miroir de Bragg sont en tension à température de croissance. Cela montre que la croissance d’un miroir (Al,Ga)N / GaN, relaxé et en accord de maille sur un pseudo-substrat d’(Al,Ga)N, n’est pas triviale. Elle suppose un contrôle précis à la fois de la composition des alliages mais aussi des mécanismes de relaxation et de la vitesse de croissance latérale de l’(Al,Ga)N.

Néanmoins, les valeurs des déformations sont suffisamment faibles pour que la structure ne soit pas fissurée. L’accord de maille révélé par la diffraction aux rayons X entre les films du miroir et le pseudo-substrat d’(Al,Ga)N indique qu’aucune relaxation plastique des contraintes n’est intervenue lors de la croissance du miroir.

En effet, la densité de dislocations traversantes n’augmente pas dans les miroirs de Bragg comme l’atteste l’image en champ clair par microscopie électronique en transmission (Figure 4-14). Cette image montre en outre la présence d’interfaces planes dans les miroirs à la verticale des fissures enterrées. L’utilisation d’un pseudo-substrat d’(Al,Ga)N s’est donc révélée particulièrement adaptée à la croissance de miroirs de Bragg de bonne qualité structurale.

Figure 4-14 : images MET en section transverse d’une structure de diode à cavité résonante épitaxiée sur un pseudo-substrat d’(Al,Ga)N.