Chapitre II Croissance épitaxiale par jets moléculaires de nanofils de GaN et techniques
II.3 Méthodes de caractérisation
II.3.1 Diffraction d’électron de haute énergie en incidence rasante ; Une technique de
1- Principe :
La diffraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante (appelée couramment RHEED pour Reflective High Energy Electron Diffraction) est une technique de caractérisation in situ qui a été développée dans les années 1940 [83]. Toutefois cette technique n'a connu son essor que dans les années 1970 grâce au développement de l'ultravide et à la possibilité de l’utiliser comme technique de contrôle in situ de la croissance de films minces épitaxiés [84].
Cette technique utilise la diffraction par les premières couches atomiques de la surface d’un faisceau d’électrons accélérés par une haute tension. Par l’analyse des motifs du diagramme de diffraction recueilli sur un écran fluorescent, cette technique nous permet de faire une caractérisation qualitative et quantitative de la surface en croissance in situ et en temps réel. Ainsi, nous pouvons évaluer la qualité structurale, le paramètre de maille, l'arrangement atomique, le mode de croissance ou encore le mode de relaxation des couches en cours d'élaboration.
Un équipement de RHEED est directement implanté dans la chambre de dépôt de notre bâti d’EJM. Le faisceau d’électrons monocinétique est émis par un canon à électrons, doté d’une tension d’accélération de 12 kV. Les électrons du faisceau ont un libre parcours moyen important. Afin de sonder uniquement la structure atomique des premiers plans du film mince, le faisceau électronique atteint la surface avec une incidence rasante (typiquement avec un angle compris entre 1 et 4°). La profondeur de pénétration des électrons dans la matière est alors de quelques angstroems.
En vertu de la dualité onde-corpuscule, les électrons incidents ont une longueur d’onde associée à leur quantité de mouvement p par la relation :
𝜆 =ℎ
𝑝 (1)
avec : h la constante de Planck, P la quantité de mouvement et λ la longueur d’onde.
Lorsque des électrons sont accélérés par une haute tension sous ultravide, ils atteignent une vitesse proche de celle de la lumière. Ainsi, l’expression de leur quantité de mouvement doit prendre en compte les effets relativistes et l’expression de la longueur d’onde des électrons incidents est alors donnée par la relation :
𝜆 = ℎ
√2𝑚0𝑒𝑉 (1+ 𝑒𝑉
2𝑚0𝑐2)
(2)
avec : m0 la masse d’un électron, V la tension d’accélération, e la charge électronique et c la vitesse de la lumière.
Ainsi, avec une tension de 12kV, la longueur d’onde des électrons incidents est de : 0,0113 nm. De façon analogue à la diffraction des rayons X, le faisceau électronique incident est diffracté par les atomes des premières couches atomiques de la surface du cristal. Leur arrangement périodique donne naissance à un motif spécifique de diffraction, à des angles précis, en première approximation. À la différence des rayons X, les électrons sont des particules massiques et chargées électriquement, ce qui complexifie les processus de diffraction avec des effets dynamiques. Ce motif de diffraction est l’intersection de la transformé de Fourier de la densité électronique de surface du matériau avec la sphère d’Ewald, de rayon 𝑘0=2𝜋
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2- Le diagramme RHEED :
La détection des électrons diffractés se fait par un écran fluorescent, placé perpendiculairement au plan de l’échantillon. Les motifs de diffractions sont visualisés par une caméra CCD. Selon la topographie de la surface et sa phase cristalline, le motif de diffraction présente des aspects différents.
Dans le cas d’une surface plane et monocristalline, la transformée de Fourier de la densité électronique de la surface consiste en des bâtonnets perpendiculaires à sa surface. Compte tenu de l’agitation thermique de la surface, le diagramme de diffraction est constitué d’ellipses allongées verticalement [Figure 6, a)].
Si la surface présente une certaine rugosité ou est caractérisée par des marches atomiques, le faisceau électronique est diffracté par les aspérités de la surface. Le motif de diffraction montre alors des spots allongés verticalement, répartis sur des arcs de cercle [Figure 6, b)].
Si la surface est polycristalline, alors le faisceau électronique est diffracté par les cristaux d’orientation aléatoire. Il en résulte une diffraction orientée dans toutes les directions (interception de la sphère d’Ewald presque en tous points) et donc un motif de diffraction sous forme de cercles concentriques [Figure 6,c)].
Enfin, lorsque la surface est couverte par des ilots monocristallins, la diffraction du faisceau électronique sur ces structures se traduit par l’apparition de lignes additionnelles sur le diagramme RHEED. En particulier les ilots ayant un rapport d’aspect élevé, tels que des nanofils, induisent une périodicité normale à la surface. Cette périodicité en dehors du plan est visible sur le motif de diffraction en raison de la transmission du faisceau électronique au travers de ces nanostructures. Le motif de diffraction consiste en un réseau de points [Figure 6, d)].
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Figure 6 : Schéma du diagramme RHEED, en fonction de la surface sondée : a) Surface idéale, plane et monocristalline, b) Surface présentant des marches atomiques, c) Surface polycristalline et d) Surface présentant des monocristaux tels que
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3- Les oscillations RHEED :
Le RHEED permet de suivre en temps réel la cinétique de croissance, et notamment d’accéder à la vitesse de croissance en utilisant les oscillations RHEED. Ces dernières, mises en évidence pour la première fois par Neave et al. en 1983 [85], résultent de la variation de l'intensité de la tâche issue de la réflexion spéculaire des électrons sur la surface au cours de la croissance. Cette tâche spéculaire à la plus grande intensité du diagramme. Dans un régime de croissance de Frank Van der Merwe par nucléation d’ilots 2D, la rugosité de la surface varie au cours de la croissance d’une monocouche, ce qui résulte en une variation sinusoïdale de l’intensité de la tâche spéculaire du RHEED [Figure 7]. Ainsi lorsque la couche présente une planéité maximale, l’intensité de la tache spéculaire est maximale. Par contre, lorsque le taux de couverture est de l’ordre de la demi-monocouche, l’intensité de la tache spéculaire est minimum. Chaque période d’oscillation RHEED correspond donc à la croissance d’une monocouche. En enregistrant ces oscillations en fonction du temps, il est donc possible de déterminer in situ la vitesse de croissance moyenne :
𝑉 = 𝑛
𝑡𝑛 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑐𝑜𝑢𝑐ℎ𝑒𝑠/𝑠
avec : n le nombre de monocouches (nombre de périodes) épitaxiées et tn le temps correspondant à la croissance des n
monocouches.
Figure 7 : Variation de l’intensité du RHEED en fonction de la cinétique de croissance d’une monocouche.