Homo´ epitaxie d’un mat´ eriau

1.3.1.1 Stabilit´e ´energ´etique d’une surface bidimensionnelle

L’´energie d’une surface est la somme des ´energies associ´ees aux liaisons que forment ses atomes. Ainsi, l’´energie de surface est d’autant plus grande, et la surface stable, que le nombre de liaisons pendantes par atome de surface est faible, ce qui d´esigne des sites pr´ef´erentiels pour l’incorpation par chimisorption (c’est `a dire par cr´eation d’une liaison chimique) d’adatomes sur une surface.

Fig. 1.11 : a) Surface avec marches atomiques. a1) Croissance couche par couche. a2) croissance 3D. b) Surface vicinale. b’) Croissance par avanc´ee de marche.

La meilleure des surfaces poss`ede toujours, `a l’´echelle atomique, des marches ascendantes ou descendantes, qui d´elimitent des terrassses. Dans le cas de cristaux t´etravalents tels que les nitrures qui nous int´eressent dans ce manuscrit, les bords de marche sont des sites divalents, pour cette raison bien plus favorables ´energ´etiquement qu’un point de la surface d’une terrasse, seulement monovalents. Les adatomes chimisorb´es en bord de marche sont donc les plus stables. La stabilit´e des surfaces (0001) de AlN [Northrup 97] et de GaN [Northrup 97], ainsi que celle de la surface (11¯20) de GaN [Northrup 96], a ´et´e analys´ee sur la base de calculs ab initio, et par microscopie `a effet tunnel.

1.3.1.2 Cin´etique de croissance

Lorsqu’un adatome est chimisorb´e sur une surface, Il forme au moins une liaison chimique avec un atome de la surface. La diffusion de l’adatome en surface traduit la rupture de la liaison, suivie de la formation d’une autre liaison dans le voisinage imm´ediat. De proche en proche, l’adatome peut ainsi parcourir la surface. Cette diffusion est favoris´ee par apport d’´energie thermique, communiqu´ee aux adatomes par la surface, c’est `a dire que la longueur de diffusion des adatomes augmente avec la temp´erature du substrat. La diffusion des adatomes est en revanche limit´ee, voire stopp´ee, par la formation de liaisons chimiques avec d’autres atomes, ou adatomes.

Pour de faibles flux d’adatomes et des temp´eratures de substrat ´elev´ees, les adatomes s’in- corporent majoritairement en bords de marches, conduisant `a une croissance couche par couche (figure 1.11(a-a1)), ou par avanc´ee de marche (figure 1.11(b-b’)) pour une surface vicinale par exemple.

Pour des flux importants d’adatomes et des temp´eratures de substrats plus faibles, la plupart des adatomes rencontrent d’autres adatomes avant de rencontrer un bord de marche. Si un dim`ere (deux adatomes li´es) garde une certaine mobilit´e, et peut encore diffuser sur la surface de croissance, un trim`ere est fixe, et constitue un centre de nucl´eation pour une terrasse. Sur ces nouvelles terrasses, d’autres adatomes peuvent ˆetre absorb´es, et former `a leur tour des terrasses. La croissance est dans ce cas 3D et conduit `a une rugosification de la surface (figure 1.11(a-a2)) Les deux bords de marche, ascendant et descendant, sont s´epar´es par une barri`ere d’´energie importante, dite de Ehrlich-Schwoebel [Ehrlich 66, Schwoebel 66], qui empˆeche le plus souvent aux atomes situ´es au bord descendant de descendre sur le bord de marche ascendant, pourtant plus stable (deux liaisons au lieu d’une).

riche N ←− −→ riche Ga

GaN (1 × 2) (5 × 5) (6 × 4) c (1 × 1) bicouche

AlN (2 × 2) c (2 × 2)

Tab. 1.2 : Reconstructions de surface pour GaN et AlN wurtzite, dans la direction de croissance [0001].

1.3.1.3 Reconstructions de surface

Les surfaces de GaN et AlN obtenues dans la direction de croissance [0001] sont termin´ees par des atomes de Ga et d’Al, respectivement (voir section 1.2.2.2). Ces atomes poss`edent une liaison pendante, susceptible de se lier `a celle d’un autre atome pour davantage de stabilit´e. En fonction de la stœchiom´etrie de la surface, c’est `a dire son taux de couverture en N et en m´etal, la surface est reconstruite pour favoriser la mise en commun des ´electrons des liaisons pendantes des atomes en surface. Les ´el´ements utilis´es pour d´ecrire ces reconstructions sont des lacunes, la formation de dim`eres, la relaxation (d´eplacement des atomes)... L’arrangement p´eriodique de ces ´el´ements d´efinit une sur-structure not´ee (n × p) en fonction de la nouvelle p´eriode de surface par rapport `a la maille ´el´ementaire de la surface id´eale. L’´energie d’une surface d´epend dans une large mesure de la nature et de la stabilit´e des reconstructions de surface.

Le tableau 1.2 r´ecapitule les reconstructions de surface pour GaN [Smith 98] et AlN [Northrup 97] wurtzite, dans la direction de croissance [0001]. La reconstruction de surface la plus stable en conditions riche Ga correspond `a une bicouche de Ga, la premi`ere MC ´etant pseudomorphique `

a la surface GaN, la seconde largement relax´ee avec un param`etre de maille proche du rayon atomique de Ga [Northrup 00]. En conditions riche N en revanche, la reconstruction de sur- face la plus stable est (2 × 2), et reste stable jusqu’`a 700◦C. Concernant AlN, peu ou pas de r´esultats exp´erimentaux sont report´es dans la litt´erature. Des calculs ab initio sugg`erent des reconstructions (2 × 2) en conditions riche Al et riche N.

Les reconstructions de surface sont mal connues dans les autres plans de croissance de GaN et AlN.

1.3.1.4 Homo´epitaxie de GaN et AlN

GaN (0001) Aux temp´eratures usuelles de croissance MBE des couches GaN, le Ga est liquide et surnage `a la surface de GaN en conditions de croissances riche Ga [Mula 01, Adelmann 02]. Cependant, la couche de Ga en surface s’´evapore, plus ou moins vite selon la temp´erature de croissance, au rythme de quelques MC/min `a 700◦C et de quelques 0,1 MC/s `a 750◦C. L’ho- mo´epitaxie de GaN a ´et´e ´etudi´ee par diffraction des ´electrons rapides en r´eflexion (Reflection High-Energy Electron Diffraction, RHEED) in situ pendant la croissance, et par microscopie `a force atomique (Atomic Force Microscopy, AFM), ex situ [Adelmann 02]. En conditions nette- ment riche Ga, pour des flux de Ga compensant largement l’´evaporation du Ga, la croissance se fait essentiellement par avanc´ee de marche et spirale autour de dislocations vis. Pour de plus faibles flux de Ga, ainsi que pour des conditions riche N, la croissance de GaN s’accompagne d’une rugosification de la surface, avec formation de trous ou d’ˆılots de GaN selon la temp´era- ture. Ces diff´erences de comportements proviennent probablement des mobilit´es relatives de Ga et N [Zywietz 98].

AlN (0001) L’homo´epitaxie d’AlN par MBE a ´et´e ´etudi´ee par RHEED et AFM [Adelmann 02]. En conditions riches Al, la croissance d’AlN s’accompagne de la pr´esence de gouttes d’Al en surface. Aux temp´erature de croissance utilis´ees pour nos travaux, l’´evaporation d’Al est n´egli- geable. Pour cette raison, la croissance d’AlN `a 750◦C s’apparente `a celle de GaN `a plus basse temp´erature, par avanc´ee de marche ou par spirale en conditions nettement riche Al, et de fa¸con rugueuse avec formation d’ˆılots en conditions moins riche Al et riche N [Adelmann 02].

AlN et GaN (11¯20) Pour la croissance par MOCVD, l’homo´epitaxie de GaN se produit d’abord dans un mode Volmer-Weber, puis par coalescence d’ˆılots, accompagn´ee de la cr´eation de dis- locations `a la jointure des ˆılots. La croissance semble s’accompagner de fautes d’empilement [Craven 04]. Pour la croissance par MBE, peu ou pas d’´etudes ont ´et´e effectu´ees, `a l’exception de l’analyse par RHEED de l’effet surnageant de Ga lors de la croissance riche Ga de GaN [Founta 05]. Notons aussi l’existence de premi`eres ´etudes du mode de croissance de l’homo´e- pitaxie d’AlN en MBE, par RHEED, AFM, diffraction des rayons X et spectrocopie Raman [Onojima 02].