Une conception de masque plus élaboré: vers la coalescence

Dans cette partie les conditions de croissances sont rigoureusement identiques à celles décrites dans la partie précédente: une pression de 450 Torr dans le réacteur et une épaisseur nominale de GaN déposée de 400 nm en 2 heures. Dans le but de forcer la coalescence des nanostructures de GaN, un masque à motifs « nano » plus complexe a été élaboré. Ce motif est décrit maintenant. Ces nouveaux masques contiennent des nano-ouvertures en forme de bandes cette fois-ci alignées soit dans la direction [1100] soit dans la direction [1120] du substrat: cela permet d'étudier l'influence de l'alignement du réseau hexagonal sous-jacent du substrat sur la croissance nanostructurée du GaN. De plus celles-ci sont séparées l'une de l'autre selon deux valeurs sur un même masque. Elles forment ainsi deux groupes visibles sur le schéma de la figure 3.31. Un groupe contient des nano-ouvertures séparées de 320 nm (densité élevée, groupe noté (a)) et un

autre des nano-ouvertures séparées de 1 µm (densité faible, groupe noté (b)). Ce type de masque permet la croissance de nanoridges isolés ou au contraire proches (croissance plus dense) permettant en principe leur coalescence de façon plus rapide. Ce type de motifs à densité variable a été également conçu pour les nano-ouvertures carrées, mais ils ne font pas partie des résultats de ce travail de thèse. La raison est que ce travail demande encore des étapes d'optimisation dans le procédé de lithographie électronique. De part la nature très résistive de l'AlN et de la finesse des motifs à définir dans la silice, l'élaboration de ces masques n'est pas encore parfaitement au point et fait partie des perspectives de cette thèse. Toujours dans l'optique d'obtenir la coalescence, les mêmes conditions de croissance sont gardées, à savoir une pression de 450 Torr dans le réacteur. Les nanostructures ainsi obtenues dans ces nouveaux masques sont visibles sur les clichés de MEB de la figure 3.32 dans le cas où les nanoridges sont alignés selon l'axe cristallographique [1100] du substrat. Les lignes rouges définissent la localisation des nano-ouvertures sous la couche. On remarque que les nanoridges épitaxiés dans les ouvertures (groupe a) ne sont pas coalescés tandis que ceux épitaxiés dans le les ouvertures rapprochées ou (groupe b) le sont partiellement. Ceux du groupes (a) ont une morphologie identique à celle décrite plus haut dans la partie traitant de le croissance sur les masques contenant l'ancien motif. L'agrandissement au MEB sur le bas de la figure 3.32 montre clairement l'aspect strié des faces {1122} latérales instables des structures

Fig.3.32 - Cliché MEB d'une couche de GaN nano-épitaxiée dans le masque avec les nouveaux motifs (nano-ouvertures parallèles à l'axe [1100] du substrat)

formées par une multitude de plans {1101}. Des trous visibles sur les faces ou sur l'arrête centrale de certaines structures sont visibles traduisant l'émergence de dislocations s'étant propagées dans le cristal. Il est intéressant d'observer la façon dans les nanoridges du groupe (b) ont coalescé. Le cliché MEB de la figure 3.33 correspond à une zone agrandie sur ces derniers. Les extrémités triangulaires (de la famille de plans {1011}) des nanoridges ont coalescé formant ainsi un flanc

Fig.3.33 - Vue au MEB agrandie des nanoridges de GaN coalescés

Fig.3.34 - Cliché MEB d'une couche de GaN nano-épitaxiée dans le masque a avec les nouveaux motifs (nano-ouvertures parallèles à l'axe à l'axe [1120] du substrat)

relativement continu et homogène. On aperçoit dans celui-ci des motifs réguliers triangulaires provenant des jointures des plans des extrémités des nanoridges. On remarque par contre que la coalescence des faces latérales des nanoridges est loin d'être évidente. Celle-ci n'est pas homogène: seuls quelques parties des faces sont liées entre elles par de petites liaisons laissant de nombreuses aspérités entre les structures. Cette inhomogénéité traduit la difficulté des plans {1122} à coalescer. La coalescence des structures n'est donc pas triviale et demande des études plus poussées, notamment sur la recherche de conditions de croissance plus propices. Enfin nous discutons un résultat préliminaire d'une couche de GaN épitaxiée dans un masque contenant des nano-ouvertures en bandes cette fois-ci alignées dans la direction [1120]. Cette couche nanostructurée est visible sur le cliché de MEB de la figure 3.34. On peut observer la présence de gros cristaux de GaN entre les nanostructures, déposés sur le masque. Nous relions ce phénomène à des défauts probables dans le masque induisant une croissance non voulue et ni contrôlée en certains endroits. Notons que même lorsque les nanoridges sont épitaxiés dans la direction [1120], la difficulté des structures à coalescer et également présente, comme on peut le voir sur le cliché de MEB de la figure 3.34. De par leur alignement avec l'axe cristallographique [1120] du substrat, les nanoridges sont exclusivement formés de six facettes {1011} comme il a été décrit lors de l'épitaxie sur substrat de SiC dans la première partie de ce chapitre. Il est évident que pour obtenir le phénomène de coalescence, de profondes investigations sur les conditions de croissance doivent être entreprises. Augmenter le temps de croissance sera la première piste à explorer. Néanmoins ces résultats préliminaires nous prouvent que la nano-structuration du GaN sur le pseudo-substrat d'AlN et possible dans la direction cristallographique et selon les motifs voulus.