Diffraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante . 30

rasante

La surface du CdTe présente lorsqu’elle est bien lisse (on parle alors de surface 2D) des reconstructions qui traduisent une minimisation de son énergie. Ces reconstructions sont fonction du flux excédentaire (cadmium ou tellure) ainsi que de la température de croissance [CIB97]. L’observation de ces reconstructions va nous permettre d’optimiser les paramètres de croissance.

La diffraction de haute énergie en incidence rasante, aussi nommée RHEED pour Reflexion High Energy Electron Diffraction permet l’observation des cristaux directement dans la chambre d’épitaxie, et ce, même pendant la croissance.

Des électrons accélérés à environ 30 keV (la longueur d’onde de De Broglie des électrons est donc de l’ordre de 0,1 Å) sont focalisés en incidence rasante (typiquement 1 à 3°) sur la surface du cristal. Le diamètre du faisceau est typiquement de 100 µm. Du fait du faible angle d’incidence, la longueur de pénétration des électrons dans le cristal sera de quelques dizaines d’angströms. Ils vont donc être sensibles à la surface du cristal.

Les électrons vont ensuite heurter un écran fluorescent, perpen-diculaire à la surface du cristal, sur lequel se forment des figures de diffraction. Le rayon de la sphère d'Ewald étant très grand devant la séparation des nœuds du réseau réciproque, elle peut être considérée comme un plan. La figure de diffraction présentera donc des lignes perpendiculaires à la surface de l'échantillon, dont la séparation à la surface de l'écran

fluorescent est représentatif de la distance entre les colonnes d'atomes parallèles au faisceau d'électrons.

tache spéculaire

Figure 13 Cliché RHEED d'une surface de CdTe (001). Les traits gras pointent les lignes de diffraction principales, et les traits fins les lignes de reconstruction. Il s'agit ici d'une

reconstruction (2×1) obtenue sous flux de Te (direction du cristal <110>).

Les oscillations de RHEED

Le RHEED permet de calibrer les flux des espèces que l'on envoie sur le substrat. En suivant l'intensité de la tache de réflexion spéculaire sur l'écran fluorescent lors d'une croissance, on observe des oscillations périodiques. En comparant cette période et l'épaisseur de matériau déposé, on constate qu'une oscillation correspond au dépôt d'une monocouche moléculaire [JOY86]. Cette propriété permet de contrôler l'épaisseur déposée à la monocouche près. Elle permet aussi de calibrer les flux avant la croissance des échantillons. En effet, les vitesses de croissance relatives des différents éléments permettent de déterminer les compositions des alliages.

Les oscillations de RHEED sont souvent interprétées en terme de variation de rugosité de la surface du cristal au cours de la croissance, entraînant une variation de l'intensité diffractée dans la tache spéculaire. Une surface lisse diffractera une intensité maximum, et inversement, une surface à moitié pleine (0,5 mc) diffractera une intensité minimum. Cette approche ne permet cependant pas de décrire la variation de phase des oscillations avec l'azimut, pour laquelle une théorie plus complète est nécessaire [HER96].

0 10 20 30 40 50 60 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Te vide CdTe+Cd In te nsité (u.a.) Temps (s)

Figure 14 Oscillations de RHEED typiques de la croissance de CdTe sous excès de cadmium, obtenues sur une surface de CdTe orientée (001).

Le RHEED nous a aussi permis d'étudier de près l'évolution de la surface du cristal en cours de croissance. En particulier, en suivant la distance entre deux raies de diffraction pendant la croissance homoépitaxiale du CdTe, nous avons pu mettre en évidence des relaxations de paramètre de maille en bord d'îlots, et ainsi, une oscillation du paramètre de maille de surface de même période que les oscillations d'intensité de la tache spéculaire [HAR98]. Cette étude n'a cependant pas eu d'incidence directe sur la croissance de nos hétérostructures dopées, et nous ne la détaillerons pas davantage.

1.4.4 Ajustement des compositions d'alliages

Le contrôle des compositions des alliages déposés est essentiel pour réaliser des gaz de trous 2D. En effet, il est fondamental que nos structures soient en accord de maille avec le substrat, comme on le montrera au chapitre 3. Leur épaisseur étant de l'ordre du micron (soit environ 3000 mc), le désaccord de maille avec le substrat, f, ne doit pas excéder 7×10^-4 (voir figure 3).

Dans tous les échantillons que nous avons élaborés, les couches les plus épaisses, et donc les plus critiques, sont la couche tampon de

Cd_1-xZn_xTe, et l'alliage quaternaire des barrières Cd_1-x-yZn_xMg_yTe (voir

chapitre 3).

Pour déterminer les concentrations, des lois empiriques basées sur la comparaison entre les flux des éléments déposés et les mesures par diffraction X des paramètres de maille des couches obtenues (méthode de Bond [BON60]), ont été proposées pour les alliages ternaires [HAR97]. Nous avons étendu ces lois au cas d'un alliage quaternaire à l'aide de la mesure complémentaire du gap optique des couches. Le paragraphe 1.5.1.5 montre comment on obtient les concentrations à partir de ces mesures.

L'alliage Cd1-xZnxTe

On réalise cet alliage sous excès de métal à l'aide de flux de CdTe, de

ZnTe et de cadmium. La vitesse de croissance est déterminée par le flux de

tellure, et il y a une concurrence entre les atomes de zinc et de cadmium pour occuper les sites d'éléments II avec des coefficients de collage proches. La loi empirique, traduisant cette compétition et donnant la composition en zinc x de l'alliage est :

Cd CdTe ZnTe ZnTe v v v v x + + = α

où vZnTe, vCdTe et vCd sont les vitesses de croissance mesurées par oscillations de RHEED pour les cellules de ZnTe (ouverture de ZnTe et Cd), de CdTe (ouverture de CdTe et Cd) et de Cd (ouverture de Cd et Te en excès).

Le coefficient α vaut 0,8 pour une croissance à 340°C. L'excès de métal utilisé à cette température élevée est de 2/1.

L'alliage de Cd1-x-yZnxMgyTe

Cet alliage est réalisé dans les mêmes conditions que le CdZnTe ci-dessus, en ajoutant le flux de magnésium.

Les atomes de magnésium collent très facilement. On peut donc considérer que pour un flux de magnésium plus faible que le flux de tellure, quasiment tous les atomes de magnésium incidents vont trouver un site cristallin, et que le cadmium et le zinc vont entrer en concurrence pour l'occupation des sites restants.

ZnTe CdTe Mg v v v y + = β

( )

Les valeurs à 220°C de α et β ont été affinées suite à la caractérisation de nombreuses couches :

97 , 0 87 , 0 = = β α

Ces valeurs correspondent à un excès de métal de 3/2.