Contrôle de la densité d'atomes Mn : méthode de l'espaceur

Nous avons choisi d'utiliser un moyen original de contrôler cette quantité de Mn de manière précise et reproductible. An d'atteindre ces deux buts, la quantité de Mn donc son ux doit être mesuré précisément. Pour cela, les oscillations de RHEED sont utilisés et permettent une calibration précise à au moins 0,01 MC/s près. Pour être certain d'avoir une mesure aussi précise, il est nécessaire de mesurer des vitesses supérieures à 0,01 MC/s. A cette vitesse, si l'on considère que l'on épitaxie le CdTe à un taux de croissance de 0,5 MC/s (valeur usuelle utilisée), une croissance avec les cellules Cd, CdTe et Mn, en épitaxie classique, en considérant que tous les atomes Mn sont incorporés, donnerait une couche de CdMnTe à 2% de Mn. Soit une densité en atomes de Mn de :

dM n = xM n 2

a2_{CdM nT e} ≈ 1 × 10

13_cm−2

Cette concentration en Mn est beaucoup trop importante pour avoir une quelconque chance d'observer une boîte avec un seul atome Mn. Même si les atomes Mn peuvent se trouver seuls dans une boîte, la concentration est trop forte et les atomes de Mn gènerait une détection optique dans la grande majorité des congurations. Voilà pourquoi nous avons décidé d'utiliser la méthode de l'espaceur, décrite dans la suite.

Fig. II.16  Probabilité d'avoir une boîte avec un unique Mn en fonction du rapport entre la densité d'atomes Mn, dM n, et celle des boîtes quantiques, dQD. Les 3 courbes représentent une augmentation du paramètre ζ (voir texte). Elle induit une diminution de la probabilité d'avoir une boîte avec un atome Mn ainsi qu'une diminution de la densité de Mn (dM n) nécessaire pour atteindre ce maximum.

Croissance Incorporation Ségrégation

2ème _couche

Une étape de ségrégation: 1ère _couche

Fig. II.17  Processus de ségrégation après 2 monocouches de croissance du composé B-X sur le composé AB-X

de l'interdiusion car il est intrinsèque à la croissance même et dépend de la direction de croissance. Au contraire de la ségrégation, l'interdiusion se déroule identiquement dans les deux directions, elle est thermiquement activée et notamment contrôlable après la croissance avec des recuits (gure II.18).

La modélisation de l'échange entre deux atomes A et B, dû à la ségrégation, peut être décrit comme une réaction chimique :

B1+ A2 ↔ B2+ A1 (II.8)

où A1 représente les atomes A sur la couche déjà incorporée et A2 représente les atomes A sur la couche qui croît, de même pour B. Commençons par considérer cette réaction chimique à l'équilibre. Thermodynamiquement, la loi d'action de masse est vériée et en notant xA

1, la

concentration en A, à l'équilibre, de la première couche, déjà formée :

K = x

B

2xA1

xB₁xA₂

Suivant la valeur de K, l'espèce A ou B ségrège préférentiellement : si K est supérieur à 1 (gure II.18), alors la réaction II.8 est déplacée vers la droite pour atteindre l'équilibre. Cela signie alors que l'espèce B va préférentiellement en surface alors que A reste dans la couche épitaxiée.

Dans le cas général, la résolution de ce problème doit se faire monocouche par monocouche en résolvant une équation du second degré. Un prol de concentration est alors calculé, qui dépend de K. Diverses méthodes expérimentales permettent de déterminer ce prol de ségrégation et ainsi de remonter au facteur K. Les nombreuses connaissances dans notre laboratoire sur les semiconducteurs magnétiques dilués IIVI à base de Mn ont permis d'étudier en détails la ségrégation du Mn dans les composés à base de tellure. En utilisant les propriétés magnétique

Ségrégation

(avec K>1, couche de surface préférentiellent en éléments A) Interdiffusion A-X B-X A-X A-X B-X A-X A-X Direction de croissance

Fig. II.18  Comparaison dans le cas d'une croissance de couches AX-BX-AX entre le processus de ségrégation, inhérent à la croissance et qui dépend donc de la direction de croissance et le processus de diusion

induites par les atomes Mn quand ils sont en concentration faible, des mesures de spectroscopie magnéto-optique permettent de remonter à la concentration eective en atomes Mn dans un puits quantique. Avec diérents échantillons et en mesurant l'eet Zeemann à saturation dans le puits, il est alors possible de déterminer la valeur de K. Kany (1997) décrit de manière exhaustive les diérentes valeurs de K, paramètre de la ségrégation du Mn avec le Mg, le Zn et le Cd. Dans nos conditions normales de croissance, K = 1 pour l'échange entre le Mn et ces trois autres cations. Des études de l'échange Mn-Cd en fonction de la température et de la vitesse de croissance ont même permis de faire varier ce facteur K : diminution du facteur d'échange quand la vitesse augmente et quand la température diminue. Il est alors possible de limiter cet échange mais les conditions de croissance pour atteindre, par exemple K = 0, 5, sont mauvaises : température du substrat trop faible (230C) ou croissance très rapide (2,5 MC/s).

Cependant dans notre cas, nous ne voulons pas, au contraire, nous aranchir de cette ségrégation. Nous allons plutôt la contrôler et l'utiliser an d'obtenir une dilution très faible du Mn. La structure d'un échantillon typique utilise directement cet eet. Sur un substrat ZnTe (001), après une couche de buer permettant d'avoir une surface parfaitement lisse,une couche Zn1−xMnxTe est déposée. x est choisi de telle façon qu'il soit possible de contrôler cette valeur précisément, donc à des concentrations pas trop faibles. Il faut également prendre garde à ne pas trop augmenter cette concentration pour ne pas modier les contraintes au sein de l'échantillon. Cela risquerait de changer la nucléation des boîtes ensuite. Un bon compromis amène à choisir x=0,06. Ensuite, la croissance se poursuit avec une couche de ZnTe intrinsèque. Grâce aux eets de ségrégation décrits auparavant, cette couche contient des ions de Mn. Pour quantier cette densité, en fonction de l'épaisseur, on utilise les résultats Kany (1997). Pour l'échange MnZn ainsi que Cd-Zn, dans les conditions de croissance de la couche de ZnTe

Fig. II.19  Dépendance de la concentration en Mn en fonction du nombre de monocouches (h) de l'espaceur pour nos échantillons typiques (schéma inséré)

les boîtes CdTe classiques (voir la partie II.1.3).