Complément

Suite à la publication de cet article et pour identifier quel effet microscopique mène à une activation thermique de l’augmentation de la barrière ES avec la présence de Te, une étude complémentaire a été effectuée sur l’évolution de la morphologie avec l’épaisseur. Cette étude est une continuation de la figure 5.17. La figure 5.18 montre les résultats de cette étude complémentaire. On observe la présence des mounds de la figure 5.17b) pour les épaisseurs de 8 et 16 nm. Cependant, on observe aussi l’apparition de trous à faibles épaisseurs de croissance et une augmentation de leur densité avec l’épaisseur jusqu’à 75 nm environ. Ensuite, lorsque l’épaisseur continue d’augmenter, la surface devient très rugueuse et une certaine périodicité commence à apparaître dans la morphologie de surface.

Pour comprendre cette évolution, les images AFM ont été analysées pour extraire une lon- gueur caractéristique, ce qui consiste en le premier zéro de la fonction d’autocorrélation [Leal et al., 2011]. Cette longueur correspond à la taille typique des mounds. La figure 5.19 montre l’évolution de cette longueur caractéristique en fonction de l’épaisseur. On remarque qu’à partir de 35 nm environ, la longueur caractéristique dans une direction <110> augmente avec l’épaisseur, alors qu’elle reste constante dans la direction perpen- diculaire. Cela indique que la taille des mounds augmente avec l’épaisseur. Ceci est un processus dit de coarsening [Xun et al., 2010; Bratland et al., 2011; Schinzer et al., 2000; Leal et al., 2011; Politi et al., 2000], où il y a coalescence des mounds lors de la croissance. Cette coalescence est typique pour plusieurs modèles de croissance avec barrière ES. La figure 5.20 montre l’évolution de la rugosité de surface en fonction de l’épaisseur. On ob- serve à 565°C une augmentation de la rugosité avec l’épaisseur. À 505°C, la tendance n’est pas assez complète pour séparer le bruit de l’augmentation de la rugosité avec l’épaisseur. L’évolution de la coalescence et de la rugosité de surface peut être modélisée à partir des formules :

L∝ tn (5.22)

Figure 5.18 Évolution en épaisseur de la morphologie du GaAs dopé au Te pour une température de croissance de 565◦C, un ratio de flux DIPTe/TEGa de 0.008, un taux de croissance de 1.8 μm/h et une commande d’arsine de 90.

Figure 5.19 Longueur caractéristique dans les deux directions <110> en fonc- tion de l’épaisseur pour les échantillons de la figure 5.18. La ligne pointillée est un fit décrit dans le texte.

où L est la longueur caractéristique, R la rugosité, t l’épaisseur, n l’exposant dit coarsening et β l’exposant dit growth. Ces deux exposants ont été extraits de fits indiqués sur les figures 5.19 et 5.20. On obtient une valeur de 0.65 pour n et 0.77 pour β. Les valeurs typiques de la littérature pour n varient fortement et sont de 0.16 à 0.56 [Politi et al., 2000].

On remarque aussi à la figure 5.19 que le processus de coarsening est très anisotrope, car il s’effectue dans une seule direction cristalline. Cela supporte l’hypothèse que ce processus est relié à la diffusion en surface des adatomes, car celle-ci est aussi anisotropique sur le GaAs.

L’exposant dit de coarsening est influencé par les conditions de croissance. En effet, la figure 5.21 présente les longueurs caractéristiques pour différents flux d’arsine. On observe que la longueur caractéristique dans la direction du coarsening diminue avec un flux d’AsH₃ plus faible. En plus, on remarque que l’anisotropie de ce coarsening est modifiée par le flux d’AsH₃, avec une augmentation de la longueur caractéristique dans la direction perpendiculaire pour des flux plus faibles.

Cependant, on remarque que pour des faibles épaisseurs, l’évolution de la morphologie avec l’épaisseur n’est pas cohérente avec du coarsening. En effet, on observe une augmen- tation de la densité de trous à 565°C. Si on interprète les trous comme étant la frontière entre des mounds très larges et plats, l’augmentation de la densité de trous indiquerait une diminution de la taille de ces mounds. On a déterminé précédemment (voir équations 5.21 et 5.22) que la taille des mounds dépend de la valeur de barrière ES et de l’exposant de coarsening. Donc, la taille latérale est soit constante (exposant=0) ou augmente avec

Figure 5.20 Évolution de la rugosité RMS en fonction de l’épaisseur pour deux températures de croissance différentes. La ligne pointillée est un fit décrit dans le texte.

Figure 5.21 Longueurs caractéristiques dans les deux directions <110> en fonc- tion du flux d’arsine pour des épaisseurs de 581 nm (40), 617 nm (60) et 577 nm (90).

l’épaisseur selon la théorie de la barrière ES. De plus, on observe que la densité de trous est constante en épaisseur pour 505°C, comme le montre la figure 5.22. L’augmentation de la densité de trous à 565°C avec l’épaisseur indiquerait donc que la barrière ES augmente avec l’épaisseur. Puisque cette barrière dépend de la présence de Te en surface, une aug- mentation de la concentration de Te à la surface durant la croissance serait cohérent avec les résultats observés et la théorie de la barrière ES. Pour confirmer cela, des mesures Hall ont été effectuées pour diverses épaisseurs et les résultats sont montrés à la figure 5.23. L’augmentation de la densité d’électrons avec l’épaisseur pour 565°C supporte la présence de ségrégation de surface des atomes de Te pendant la croissance.

Nous avons donc déterminé deux effets qui affectent la croissance du GaAs fortement dopé au Te : 1. Une augmentation de la barrière ES causée par la présence d’atomes de Te à la surface. 2. Une ségrégation des atomes de Te à la surface pendant la croissance. Diminuer la température de croissance réduit la ségrégation en surface des atomes de Te, ce qui diminue suffisamment leur concentration en surface pour inhiber l’augmentation de la barrière ES. Résoudre ces deux problèmes permet l’utilisation des couches de GaAs fortement dopé au Te dans les jonctions tunnel.

Figure 5.22 Densité de trous dans le GaAs dopé au Te en fonction de l’épaisseur pour divers paramètres de croissance, tel qu’indiqué dans la légende. le ratio DIPTe/TEGa est de 0.008 et le taux de croissance est de 1.8 μm/h.

Figure 5.23 Densité d’électrons en fonction de l’épaisseur pour deux tempéra- tures de croissance différentes. Le taux de croissance est de 1.8 μm/h, le ratio DIPTe/TEGa est de 0.008 et le flux d’arsine est de 90.