1-2) Croissance réalisée à 700°C

Ces expérimentations de croissance ont été réalisées dans les mêmes conditions que celles décrites précédemment, mais avec une augmentation de 100°C de la température de nitruration.

Analyse par Diffraction de Rayons X

Figures II-5 a & b présentent la comparaison des diffractogrammes de RX entre les croissances réalisées à 600°C et à 700°C. A 700°C comme à 600°C, les pics de diffraction observés sont très proches de ceux attendus pour des orientations de type (111) du 3C-GaN relaxé. Pour les mêmes raisons que celles invoquées dans le chapitre précédent, nous sommes amenés à privilégier l’hypothèse selon laquelle les cristaux diffractants sont composés uniquement de GaN de polytype cubique.

A 700°C ( courbe rouge ), les pics correspondant aux orientations (111) (Fig II-5 a) et (222) (Fig II-5 b) sont légèrement décalés vers les grands angles, par rapport à ceux à 600°C ( courbe noire ). Ces pics se rapprochent encore plus des positions théoriques pour le 3C-GaN qui sont : pic (111) : 34,48°, pic (222) : 72,67°.

Pour les deux orientations : (111) et (222), l’intensité maximale du pic GaN après croissance à 700°C ( courbe rouge ) est plus intense d’environ un ordre de grandeur par rapport à celle du pic correspondant à la croissance à 600°C ( courbe noire ). Ces résultats vont dans le sens d’une meilleure cristallinité et / ou d’une plus grande quantité de GaN formée dans le cas de la croissance à 700°C.

Il est aussi intéressant de constater que les pics du 3C-SiC (Fig. II-5 a) des deux échantillons sont parfaitement confondus, montrant que les échantillons de base ( dépôt de 3C-SiC sur substrat de silicium ) sont similaires.

Pour l’orientation (111), le pic du GaN déposé à 700°C a pratiquement la même forme que celui déposé à 600°C.

163

Pour l’orientation (222), comme la résolution est meilleure, on peut constater une meilleure séparation des raies Kα1 et Kα2 sur l’échantillon déposé à 700°C, ce qui est un indice révélateur d’une meilleure qualité cristalline du GaN formé.

Figure II-5.

Comparaison entre des diffractogrammes de RX correspondant à des croissances VLS à 600°C et à 700°C. Zoom du spectre au niveau des pics : a) (111) du GaN, b) (222) du GaN.

Les intensités ont été normalisées en prenant pour référence le pic de diffraction (111) du substrat.

Microscopie Electronique Hors Bassins

Les observations au MEB, HORS des bassins, des échantillons, avant et après croissance VLS, sont présentées figure II-6. Les images a) & c) correspondent à un dépôt de 330μmol de gallium suivi d’un recuit à 700°C pendant 15 mn.

a)

164

Les gouttes de ce dépôt dépassent rarement les 300 nm de diamètre et de nombreuses petites gouttes ( < 100nm ), présentes avant le recuit, ont disparu après recuit (Fig. II-3 a).

La couverture de la couche-germe de SiC par le GaN est bien meilleure que pour les croissances réalisées à 600°C (Fig. II-3 b). Et, comme précédemment, la densité des cristallites après croissance VLS est assez similaire à celle des gouttes de Ga, mais avec un diamètre moyen des cristaux de GaN plus important ( environ x2 ), et leurs dimensions sont très souvent plus importantes que celles des gouttes (Fig. II-6 a & b).

Les cristaux de GaN sont, dans ce cas, majoritairement de forme triangulaire (Fig. II-6 b). Ils sont souvent constitués de 4 parties :

¾ Une région centrale plane et rugueuse de forme triangulaire de plusieurs centaines de nanomètres de côté.

¾ Trois régions planes et très lisses qui entourent une région centrale avec laquelle elles partagent un côté du triangle.

Une grande proportion des cristaux de GaN a coalescé lors de la croissance, formant ainsi un réseau continu, constitué à partir de ce qui était probablement, dans les premiers stades de la croissance, des cristaux individuels.

Les images réalisées avec inclinaison semblent montrer que les cristaux de GaN (Fig. II-6 d) sont environ deux fois moins hauts que l’altitude des gouttes initiales de Galiq (Fig. II-6 c). De plus, on peut constater que les trois régions planes et lisses partant de la région centrale sont toutes inclinées et forment un angle aigu avec la surface de la couche-germe de SiC. Autrement dit, les cristaux de GaN s’élargissent avec la hauteur, formant une sorte de tétraèdre tronqué inversé.

Microscopie à Force Atomique Hors Bassins

La figure II-7 présente une analyse AFM réalisée hors bassins. Sur ces images on peut voir en détail la surface d’un cristal de GaN. Sur cette surface, la région centrale triangulaire est très rugueuse et elle se situe à plus basse altitude que le reste de la surface de la cristallite. Les zones bordant celle-ci sont très lisses et semblent être constituées d’un empilement de couches successives.

Des analyses complémentaires réalisées sur cette image indiquent que le dénivelé entre le bord de la cristallite ( point 1 ) et la région centrale ( point 2 ) est d’environ 25nm. Des relevés réalisés sur d’autres cristallites indiquent que la hauteur de ce dénivelé peut atteindre jusqu’à 40nm.

165

Figure II-6.

Observations au microscope électronique à balayage de zones hors bassins. a) & c) Dépôt typique de 330 μmol de gallium réalisé à 450°C suivi d’un recuit à 700°C.

b) & d) Après croissance VLS et attaque chimique du Ga résiduel. Les images des figures a et c ont été obtenues en inclinant l’échantillon de 75°.

a) b)

166

Figure II-7.

Observations au microscope à force atomique (AFM) d’une zone hors bassins.

Microscopie Electronique dans des Bassins

A l’intérieur des bassins, sur les bords (Fig. II-8 a & c), la couverture de la surface de la couche-germe par le GaN est bien meilleure que hors des bassins. La quasi-totalité des cristaux de GaN ont coalescé, formant ainsi un réseau quasi-continu. Il reste néanmoins de nombreuses zones non couvertes. Ce réseau semble constitué de cristaux dont la taille moyenne est bien inférieure à celle des cristaux hors bassins (Fig. II-6 b).

Aux centres des bassins (Fig. II-8 b & d), les cristaux sont de tailles et de formes très similaires à ce qui a pu être observé hors bassin, mais avec une bien meilleure coalescence des cristaux.

Dans toutes les zones observées, des « empreintes » de formes triangulaires sont présentes, adjacentes à des zones de GaN lisses.

167

Figure II-8.

Observations au microscope électronique à balayage de zones dans les cuvettes, après croissance VLS et attaque chimique du Ga résiduel.

a) bord d’une cuvette rectangulaire de 160 × 80 μm2

(le bord est situé à proximité de la partie gauche de l’image), b) centre de ce même rectangle. c) bord d’une cuvette carrée de 40 × 40 μm2 (bord près de la partie supérieure de l’image),

d) centre de ce même carré.

Analyse par spectroscopie de photoluminescence

La figure II-9 présente l’analyse par spectroscopie de photoluminescence d’une zone hors bassin pour une croissance réalisée à 700°C. Cette analyse montre la présence très nette d’un pic à environ 3,1 eV (400 nm). De plus, on peut supposer la présence d’un deuxième pic à environ 3,16 eV (392 nm).

Li-Wei Sung et al. ont réalisé des analyses de photoluminescence sur des couches de GaN produites par épitaxie par jet moléculaire avec différents rapports Ga / N [II.9]. Sur les spectres résultants, des pics ont été détectés aux alentours de 393 nm et 403 nm.

a) _b)

168

Les auteurs attribuent ces pics aux émissions issues de transitions donneurs-accepteurs dans du GaN cubique.

Ces résultats sont en partie confirmés par l’état de l’art réalisé par Michael A. Reshchikov et al. sur l’analyse par spectroscopie de photoluminescence des défauts dans le GaN [II.10]. Dans cette publication, les auteurs attribuent le pic à 3,16 eV à la présence simultanée de donneurs et d’accepteurs peu profonds dans du GaN cubique.

De plus, ils affirment qu’un pic, situé à 3,08 eV, indique la présence de carbone dans du GaN cubique. Ce pic n’est pas très éloigné de la position du pic à 3,1 eV que nous avons obtenu. On peut imaginer que le contact direct entre la phase liquide de gallium et la couche de SiC puisse induire une légère dissolution de carbone dans la phase liquide, et donc un dopage au carbone lors de la croissance VLS du GaN.

Cette analyse PL, réalisée sur des échantillons ayant subi une croissance VLS à 700°C, confirme bien les résultats que nous avons obtenus par DRX, et l’hypothèse que nous avons privilégiée qui est celle de la formation du polytype cubique 3C-GaN.

Figure II-9.

Analyse par spectroscopie de photoluminescence d’une zone hors bassin de la croissance réalisée à 700°C.

169

II-1-3) Croissance réalisée à 800°C