Croissance de GaAs

La croissance d’échantillons de GaAs1-xBix entre 0.25 et 5 % de bismuth étant visée, la dy- namique et les paramètres de croissance requis afin de faire la croissance de couches de GaAs

sont tout d’abord résumés. Une bonne compréhension de l’impact des différents paramètres de croissance sur la qualité des échantillons obtenus permet de mieux comprendre les dif- ficultés reliées à la croissance d’échantillons de GaAs1-xBix et l’impact de la modification nécessaire des paramètres de croissance afin de permettre l’incorporation de bismuth dans la matrice de GaAs.

Lors de la croissance de GaAs par MBE, le flux de Ga est sous forme monoatomique tandis que le flux de As se retrouve sous une combinaison de dimères As2 ou de tétramères As4, chacun impliquant une cinétique de surface différente. La proportion relative de ces composantes est influencée par la température de l’étage de dissociation des cellules d’effusion, tel que montré à l’annexe A.

J. R. Arthur [29] a été un des pionniers de l’étude de la cinétique de surface lors de la crois- sance du GaAs avec des dimères A2 tandis que Foxon et Joyce [30] ont fortement contribué à détailler les différents phénomènes physiques ayant lieu lors de la croissance du GaAs. La relative facilité avec laquelle il est possible d’obtenir des couches de GaAs de bonne qualité structurale est principalement due à deux phénomènes. Premièrement, lorsque Tsub est supé-

rieure ou égale à 600 K, les atomes ou molécules d’arsenic incidents sur des atomes d’arsenic à la surface sont désorbés et ne s’accumulent pas. La figure 2.1 donne le taux de désorption des composés As2 et As4 de la surface d’un échantillon de GaAs soumis à un flux de As2, mais en l’absence d’un flux de Ga. Pour la courbe du As2, le taux de désorption augmente avec la température avant de plafonner pour une température de substrat d’environ Tsub= 600 K, ce

qui indique que tous les dimères As2 incidents sont désorbés. La présence d’un pic de signal pour le As4 sous 600 K montre une association des atomes ou dimères d’arsenic pour donner des tétramètres As4.

Le deuxième phénomène facilitant la croissance d’échantillons de GaAs est que pour une température de substrat Tsub ≥ 600 K, le coefficient de collage des dimères de As2 est limité par la disponibilité de sites de gallium libres à la surface. Foxon et al. [30] ont déterminé le coefficient de collage SAs2 en fonction du flux de gallium pour une température de substrat

Tsub de 600 K. Leurs résultats montrent que le coefficient de collage augmente linéairement

pour de faibles flux de Ga. Avec l’aide des conclusions tirées à partir de la figure 2.1, ce comportement s’explique par le fait qu’à de faibles flux de Ga, le coefficient de collage SAs2

est limité par la disponibilité en surface de sites de Ga et que les dimères d’arsenic n’ayant pas de sites de gallium accessibles désorbent de la surface. Ceci explique également le fait que le taux de croissance soit contrôlé par le flux d’éléments III pour une température de substrat et un flux d’arsenic suffisamment élevés. Lorsque le flux de Ga atteint un certain seuil par rapport à celui de As2, les dimères incidents sont statistiquement presque toujours

Figure 2.1 Taux de désorption d’une surface de GaAs (0 0 1) des molécules As4 (4) et As2 ( ) en l’absence d’un flux de Ga selon la température du substrat Tsub. Tiré de [30].

incidents sur un site de Ga et le coefficient de collage SAs2 tend vers l’unité. À de forts flux

de Ga, l’excès de Ga en surface s’accumule.

Les conditions de croissance typiques pour du GaAs stœchiométrique avec des précurseurs de Ga et de As2 consistent donc à utiliser un flux de Ga correspondant à un taux de croissance d’environ 1 µm/h et un ratio de flux équivalent de As2 entre 5 et 20 fois plus élevé que celui de gallium. La température de substrat est typiquement entre 550 et 600◦C, ce qui est suffisant pour que les dimères As2 incidents sur des sites occupés par des atomes de Ga se dissocient en deux atomes de As tandis que les dimères As2 incidents sur des sites occupés par des atomes d’arsenic sont désorbés, tel que schématisé à la figure 2.2 a). Il s’agit d’un processus de premier ordre.

Figure 2.2 Schématisation de la cinétique de croissance du GaAs à partir de Ga et de a) As2 et b) As4 respectivement. Reproduit de [31].

Lorsque les précurseurs sont des atomes de Ga et des tétramères As4, la cinétique de surface consiste plutôt en un processus de deuxième ordre, tel que schématisé à la figure 2.2 b). Foxon et Joyce [32] ont montré que pour un flux de As4 donné, le coefficient de collage SAs4

augmente linéairement avec le flux de Ga pour atteindre une limite de 0.5, valeur s’expliquant par le mécanisme de croissance de deuxième ordre. Tout comme pour les croissances avec des dimères As2, l’excès de Ga s’accumule en surface pour des flux de Ga élevés. Ils ont également trouvé que le coefficient de collage SAs4 augmente avec la température du substrat en absence

d’un flux de Ga pour atteindre une valeur maximale de 0.5 [32]. Ce comportement s’explique par la désorption d’arsenic de la surface lorsque la température augmente, ce qui expose des sites de Ga à de nouveaux atomes d’arsenic. Il a été vérifié que les nouveaux sites disponibles pour l’arsenic ne proviennent pas de la ségrégation de gallium vers la surface.

Ces résultats font en sorte que les paramètres de croissance typiques pour la croissance de GaAs à l’aide de précurseurs de Ga et de As4 consistent en une température de substrat Tsub

entre 550 et 600 ◦C, soit une plage de température où tout excès d’arsenic à la surface est désorbé. Le ratio de flux équivalent JAs4

JGa est sélectionné entre 5 et 20 en contrôlant le flux

de Ga pour avoir un taux de croissance d’environ 1 µm/h. La relation entre le ratio de flux équivalent et la ratio de pression de flux est détaillée à l’annexe A.