Chapitre II : Croissance de NFs d'InP sur substrat de Silicium
III.2.2 Influence du rapport V/III sur la nature des facettes des NFs
Nous avons vu dans le paragraphe III.1.3 que les facettes {11-20} étaient majoritairement observées pour les NFs aiguille et les facettes {1-100} étaient
t
Cµ
∆
LSµ
∆
LSµ
∆
NFs Crayon avec un fort rapport V/IIILS
µ
∆
NFs Crayon avec un faible rapport V/IIILS
µ
∆
NFs Aiguille avec un fort rapport V/IIILS
µ
∆
NFs Aiguille avec un faible rapport V/IIIZB Wz
majoritairement observées pour les NFs crayon. Nous allons voir que la réalité est un peu plus complexe et que le rapport V/III va jouer un rôle dans la nature des facettes de ces NFs, principalement pour les NFs aiguille, de par l’influence qu’il a sur la présence de segments cubiques en leur sein.
Pour un certain nombre de NFs, la nature des facettes a été déterminée à partir des profils extraits des mesures STEM-HAADF en choisissant l’axe de zone <1-100> ou <11-20> (voir exemples sur la Figure 79). Nous avons schématisé dans le Tableau 4 les facettes observées pour un certain nombre de NFs aiguille et crayon de chaque échantillon.
V/III = 19 V/III = 10 V/III = 6
Tableau 4 : Tableau récapitulatif des facettes observées sur les NFs aiguille et NFs crayon crus sur Si(001) respectivement avec un rapport V/III de 6, 10 et 19.
De ce tableau nous pouvons tirer les caractéristiques suivantes :
1- Quel que soient le type de NFs aiguille ou crayon et le rapport V/III, les NFs commencent à croitre avec les facettes {1-100} (Figure 85). Ce sont les facettes qui sont stabilisées par la structure Wz des NFs, même si dans la suite de la croissance les facettes peuvent basculer en {11-20} (comme dans les deux cas présentés dans cette figure).
{1-100} {11-20} {11-20} {1-100} {1-100} {1-100} {11-20} {11-20} {1-100} {11-20} {11-20} {1-100} {1-100} {11-20} {11-20} {1-100} {1-100} {1-100} {1-100} {1-100} {1-100} A ig u ill e C ra y o n
Figure 85 : Images TEM en champs sombre et profils STEM HAADF de NFs : (a) aiguille et (b) crayon. Echantillon élaboré avec un rapport V/III=6.
On remarque ensuite que les facettes {11-20} sont majoritairement observées dans la suite du NFs si : i) les conditions de croissance (faible rapport V/III) et type de NFs (NF aiguille) conduisent à la présence de FE et SC et ii) le diamètre des NFs a été augmenté par la croissance radiale.
2- La stabilisation des facettes {11-20} semble donc être liée à la présence de la phase ZB associée au FE et SC. Cette caractéristique est confirmée par la succession des facettes observées sur le NF aiguille montré sur la Figure 86.
Figure 86 : Images TEM du sommet d’un NF aiguille et profils STEM-HAADF le long du NF. L’image agrandie (en champ clair) à droite montre des segments cubiques ZB.
{1-100} {1-100} {11-20} 100 nm D = 35 nm SC ZB 11-20 1-100 11-20 1-100
Le long du NF, les facettes sont de type {1-100} au sommet, puis {11-20} avant de revenir de type {1-100}. L’image en champ clair (Figure 86 (b)) de la zone de formation des facettes {11-20} montre qu’elle coïncide avec un segment cubique alors que les facettes {1-100} se forment quand la structure est purement Wz. Les séquences cubiques sont donc à l’origine de la formation des facettes {11-20}. On observera que le diamètre du segment observé est de 35 nm.
3- En s’éloignant du sommet des NFs aiguille, la nature des facettes peut être différente de part et d’autre d’une zone de changement du diamètre (Figure 87-a), les facettes {11-20} se développant pour le segment de plus grand diamètre (D=120 nm pour le NF étudié). L’image TEM en champ clair (Figure 87-b) montre qu’un SC est observée dans le segment dont les facettes sont {11-20}.
Figure 87 : Images TEM, (a) champ sombre et (b) champ clair d’un NF aiguille (rapport V/III de 14) et profils STEM HAADF le long du NF.
4- Des caractéristiques 2 et 3, il apparait qu’un diamètre critique DCF existe au-delà duquel la présence d’un SC dans un segment de NF fasse basculer les facettes de tout le segment en facettes {11-20}, et en deçà duquel seule la zone du SC basculera avec des facettes {11-20}. Cette notion de diamètre critique DCF est confirmée par l’analyse de différents NFs aiguille (Figure 88). Un diamètre critique voisin d’une centaine de nm semble être nécessaire pour qu’un segment comprenant un (ou plusieurs) SC bascule dans son ensemble en facettes {11-20}. Ce diamètre critique sera atteint d’autant plus facilement que la croissance radiale sera élevée.
{11-20} {1-100} D=120 nm D=120 nm D=110 nm D=83 nm Segment cubique
(a)
(b)
1-100 11-20 11-20V/III=19 V/III=14 V/III=6
DCF ~130 nm DCF ~110 nm DCF ~70 nm Figure 88 : Valeurs typiques des diamètres critiques en fonction du rapport V/III.
5- Une analyse plus précise indique que le diamètre critique DCF dépend du rapport V/III (Figure 88). Le diamètre critique augmente avec le rapport V/III dont on sait que son augmentation diminue le nombre de SC dans le NFs. On peut donc supposer que le basculement en facettes {11-20} avec la croissance radiale se fera à des diamètres d’autant plus faibles que le nombre de SC dans le segment considéré sera élevé.
6- L’étude des deux NFs aiguille présentés sur la Figure 89 est intéressante pour démontrer que la présence de SC est nécessaire pour un basculement {1-100} → {11-20} des facettes lorsque le diamètre du NF augmente avec la croissance radiale et que ce basculement n’est donc pas du qu’à un seul effet de diamètre.
Ces NFs aiguille ont été crus avec un rapport V/III de 19. Nous avons vu qu’avec ce rapport V/III, la majorité des NFs aiguille ne présentait pas de SC (cas du NFA 2) et que quelques NFs pouvaient présenter un ou deux SC (cas du NFA 1). Alors qu’ils ont atteint tous les deux un diamètre voisin de 130 nm avec la croissance radiale, seul le NFA 1, présentant des SC a vu ses facettes basculer en {11-20} pour les segments de diamètre égal ou supérieur à 130 nm. Les facettes {1-100} n’ont pas basculé pour le NFA 2 de même diamètre mais ne présentant pas de SC. {1-100} {1-100} {11-20} {1-100} {11-20} {1-100} {11-20} {11-20} {11-20}
Figure 89 : Images TEM : (a) en champ sombre et (b) en champ clair de deux NFs aiguille crus avec un rapport V/III de 19 et profils STEM HAADF correspondants, avec un axe de
zone [11-20] pour le NFA 1 et [1-100] pour le NFA 2
7- L’analyse des facettes des NFs crayon confirme les caractéristiques énoncées pour les NFs aiguille. La Figure 90 montre les facettes d’un NF cru avec un rapport V/III de 6 (NFC
1) et présentant un SC en son sein et les facette d’un NF cru avec un rapport V/III ≥ 10 (NFC
NFA 2
(b)
{11-20} {1-100} {1-100} {1-100} {1-100} {11-20} {1-100} {1-100} {1-100} {1-100}(a)
NFA 1un basculement {1-100} → {11-20} des facettes avec la croissance radiale (ici pour 80 nm), le NFC 2 cru avec le rapport V/III ≥ 10 conserve les facettes {1-100}.
On notera que le diamètre du NFC 1 est de 80 nm et donc se situe dans la partie basse de la gamme du diamètre critique [80 – 110 nm] évaluée pour les NFs aiguille, malgré une densité de SC faible. On peut donc supposer que le basculement {1-100} → {11-20} des facettes des NFs crayon se fait plus facilement, même avec un nombre de SC faible.
V/III =6 V/III>6
Figure 90 : Images TEM en champ sombre et profils HAADF STEM de 2 NFs crayon crus respectivement avec un rapport V/III de 6 et 10. Profils extraits avec un axe de zone [11-20].