Chapitre 2 Ingénierie de la zone active pour la conception d’un laser bi-fréquence
2.3 Propriétés structurales des BQs
2.3.2 Densité et auto-organisation des boites quantiques
2.3.2.1 Densité surfacique des boites quantiques
La Figure 2.7 représente l’évolution de la densité surfacique des BQs en fonction du débit d’arsine, pour chaque épaisseur d’InAs déposée. Grâce au choix de ces deux paramètres, la densité des boites quantiques peut être modifiée d’un facteur 10. En effet, l’amplitude maximale mesurée est de 1,3 1010 à 13,2 1010 cm-2, respectivement obtenue pour 1 MC – 13 sccm et 2,5 MC – 1 sccm. Si nous regardons plus en détails nous observons que, sauf à très bas flux As, lorsque la quantité d’InAs déposée augmente en passant de 1 à 2,5 MC, la densité surfacique des BQs est généralement doublée. L’inverse se produit avec le passage du débit d’arsine de 0,3 à 13 sccm : la densité est diminuée d’un facteur 3 à 4. La densité peut donc être sélectionnée de 5,5 1010 à 13,2 1010 cm-2 à
bas flux As et de 1,3 1010 à 2,9 1010 cm-2 à fort flux As. La combinaison des deux paramètres de
croissance offre ainsi un choix conséquent sur la densité.
Figure 2.7 : Evolution de la densité surfacique des BQs en fonction du débit d’AsH3.
L’augmentation de la densité surfacique des BQs entrainée par la diminution du débit d’arsine est un effet propre au substrat (311)B, et qui est contre intuitif. En effet il est communément admis que sur GaAs, l’augmentation du débit d’AsH3 a pour effet de réduire la longueur de diffusion des
atomes en surface, conduisant à un accroissement du taux de nucléation et donc de la densité. Dans notre cas, la situation s’inverse, et la baisse de la densité des BQs est principalement liée à l’accroissement de l’énergie de surface de l’InP(311)B avec le flux As [128].
Nous pouvons ainsi distinguer deux cas : la forte densité pour des faibles débits à 1 sccm et la faible densité pour des forts débits, à partir de 5 sccm.
41 2.3.2.2 Organisation des boites quantiques
Comme expliqué dans l’Annexe 3, les images de 2D-FFT et d’autocorrélation renseignent sur l’organisation spatiale des BQs. Pour la 2D-FFT, si on observe une unique tache diffuse, il n’y a pas d’organisation. Au contraire, si l’image est structurée sous forme de plusieurs lobes, l’organisation des BQs dans le plan est initiée. Il en va de même pour l’image d’autocorrélation 2D.
Figure 2.8 : Traitement des images AFM par 2D-FTT et autocorrélation 2D (en encart) pour des échantillons présentant les paramètres de croissance suivant : (a) 1 MC – 1 sccm, (b) 2,5 MC – 1 sccm, (c) 1 MC – 13 sccm, (d) 2,5 MC – 13 sccm.
Ainsi nous observons, grâce à la Figure 2.8, que pour un débit de 13 sccm, le degré d’organisation est très faible, peu importe la quantité d’InAs déposée. A l’inverse à bas débit, un début d’organisation est présent et se renforce à 2,5 MC. La structuration des BQs est donc meilleure pour des débits d’arsine plus bas et pour des épaisseurs d’InAs plus importantes, et suit ainsi la même évolution que la densité. Nos résultats sont conformes à des observations précédentes [128], montrant qu’une plus haute densité améliore l’organisation des boites quantiques dans le plan grâce à l’interaction de leur champ de contrainte via les couches 2D (couche de mouillage et barrière). Cette interaction est plus forte lorsque les BQs sont rapprochées. Il est à noter que l’organisation spatiale des boites quantiques est de plus en plus marquée lorsque les plans s’empilent en raison des champs de contrainte induits par les plans de BQs enterrés [106]. Dans notre cas, deux plans successifs sont indépendants dès lors que l’espaceur a une épaisseur de plus de 30 nm.
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2.3.2.3 Distance inter-BQs
Dans notre étude pour la réalisation du laser bi-fréquence, le couplage électronique latéral inter-BQs est un paramètre clef qu’il faudrait minimiser. C’est pourquoi nous avons mesuré la densité, qui nous donne des informations qualitatives quant à ce type de couplage [104], [106]. En effet, il peut y avoir des fuites de porteurs vers d’autres BQs lorsqu’une boite est excitée. Ces fuites se produisent notamment par effet tunnel entre deux BQs voisines, et sont d’autant plus favorisées si celles-ci sont proches. Ces fuites de porteurs entrainent l’émission de photons de toute la population de BQs. Mais c’est plutôt la distance entre les BQs que la densité qui est le paramètre à considérer pour le couplage électronique latéral, car la densité ne prend pas en compte l’évolution du rayon des BQs. Afin de la déterminer, l’autocorrélation des images AFM est effectuée. L’image d’autocorrélation obtenue renseigne sur l’organisation des boites comme expliqué précédemment, mais elle peut également donner la distance moyenne au plus proche voisin.
Figure 2.9 : (a) Profil de l’image d’autocorrélation 2D (en insert) du scan AFM pour l’échantillon 6198-2 (2 MC – 1 sccm). Le profil est réalisé suivant la flèche noire de l’image d’autocorrélation insérée. (b) Evolution de la densité et de la distance entre boites en fonction du débit d’AsH3 pour une épaisseur déposée de 2 MC.
En effet, en extrayant le profil de l’image suivant une droite comme indiqué à la Figure 2.9(a), nous obtenons un pic central, qui renseigne sur la forme et sur la distribution en taille des BQs, et deux pics secondaires, correspondants à la périodicité des BQs. Ainsi, la distance entre le pic central et les deux pics secondaires permet de définir une distance moyenne entre les BQs selon ces directions. Pour l’échantillon pris en exemple, le 6198-2 (2 MC – 1 sccm), la distance moyenne est de 30 nm. Pour des échantillons crûs sous fort flux d’arsine, la valeur mesurée est beaucoup moins précise, avec une erreur relativement grande (~20%), car la méthode est dépendante du degré d’organisation des boites.
43 La Figure 2.9(b) reprend l’évolution de la densité mesurée précédemment en fonction du flux d’arsine pour une épaisseur de 2 MC, et en y ajoutant l’évolution de la distance inter-BQs extraite de l’autocorrélation. Nous observons que la distance moyenne entre BQs passe de 30 nm pour un flux de 1 sccm à 110 nm pour 13 sccm, soit une multiplication par 3,7 pour une densité divisée par 4. Nous remarquons donc que la distance entre BQs suit rigoureusement, de manière symétrique, la même variation que la densité surfacique. L’impact du diamètre des BQs est en effet négligeable par rapport à l’évolution de la densité. Nous avons représenté sur la Figure2.10 la variation de la distance entre BQs en fonction du débit d’arsine pour les différentes épaisseurs d’InAs déposées.
Figure 2.10 : Evolution de la distance entre BQs en fonction du débit d’arsine.
Ainsi, grâce au contrôle de la densité des BQs par la quantité d’InAs déposée et le débit d’arsine, nous pouvons également contrôler la distance inter-BQs d’une trentaine de nm à plus de 120 nm, ce qui permet de passer d’un fort couplage électronique à un très faible.