Mesure de composition d'une boîte quantique

Nous présentons ici les diérentes techniques envisagées pour déterminer la com- position des boîtes quantiques et de la couche de mouillage à l'aide de la microscopie électronique en transmission.

Utilisation du contraste (002)

Les images en champ sombre (002) sont obtenues en microscopie électronique en transmission, en faisceau parallèle, à l'aide d'un diaphragme de contraste dans le plan focal image de la lentille objectif : seule la tache (002) est conservée [47]. L'image ltrée présente un contraste liée à la chimie du matériau observé. Le contraste chimique de la tâche (002) a été utilisé pour étudier la composition de plusieurs alliages ternaires III-V [164,181,182]. La mesure quantitative du contraste (002) a notamment été utilisée pour déterminer la composition des boîtes quantiques InGaAs/GaAs [182].

Matériau Distance d'extinction

InAs 300 nm

InP 150 nm

GaAs 1µm

Tableau 3.1  Distance d'extinction de diérents semiconducteurs III-V (struc- ture zinc-blende). Source : Laboratoire Matériaux, Ingénierie et Sciences (MATEIS) ; http ://cecm.insa-lyon.fr/CIOLS/crystal1.pl

Cette technique n'est cependant pas adaptée aux boîtes InAsP/InP à cause des eets dynamiques entre le faisceau principal et le faisceau diracté (002). Lorsque l'épais- seur de l'échantillon est plus grande que la distance d'extinction du matériau, le contraste (002) n'est plus relié de manière simple à la composition du matériau. Les distances d'ex- tinctions de l'InAs, l'InP et GaAs sont résumés dans la tableau 3.1 : alors que la distance d'extinction de l'InGaAs est comprise entre 300 nm et 1µm, celle de l'InAsP est comprise entre 150 et 300 nm. Un échantillon d'InAsP d'une épaisseur de 50-100 nm est donc trop épais pour cette méthode de quantication.

Spectroscopie de rayons X sur les boîtes quantiques de surface

L'analyse EDX n'est pas adaptée à la mesure en composition des boîtes quantiques encapsulées car elle surestime la teneur en phosphore : il n'est pas possible de déterminer si le phosphore détecté provient de la boîte quantique ou de la matrice environnante. L'analyse EDX des boîtes quantiques de surface permet de s'aranchir de ces eets. Comme nous l'avons vu au chapitre 1, ces boîtes quantiques sont épitaxiées dans les mêmes conditions que les boîtes quantiques encapsulées, mais la croissance est interrompue après le dépôt d'InAsP. La température est diminuée progressivement de 500◦_{C à température ambiante,}

(a)

(b) (c)

Figure 3.10  (a)Image STEM HAADF d'une boîte quantique InAsP/InP, en axe de zone [100]. La boîte quantique est entourée par une couche d'oxyde de 1 nm environ, car l'échantillon a été exposé à l'air durant une longue période (1 an) avant d'être préparé pour les mesures TEM. Les lignes d'acquisition des deux prols EDX présentés en (b) et (c) sont indiquées.

Nous ne sommes pas certains que les boîtes quantiques encapsulées et les boîtes quantiques de surface ont la même composition. En eet, les deux types de boîtes quan- tiques présentent des diérences importantes en terme de morphologie : les boîtes quan- tiques encapsulées sont de plus petites tailles, car elles ont été tronquées durant l'encap- sulation, alors que les boîtes quantiques de surface sont plus hautes. La taille latérale des boîtes quantiques de surface est aussi systématiquement plus faible que les boîtes quan- tiques encapsulées, pour un même dépôt d'InAsP ; cette diérence a été notée sur dix échantillons diérents. La descente en température aecte donc la taille latérale des boîtes quantiques d'une manière diérente que l'encapsulation. Enn, alors que les boîtes quan- tiques encapsulées ont une base de forme caractéristique, en forme de parallélogramme, les boîtes quantiques de surface ont une forme plus arrondie (Fig. 3.11).

(a) (b)

Figure 3.11  Image TEM champ clair du plan de boîtes quantiques de surface de l'échan- tillon InP536(a) et du plan de boîtes quantiques encapsulées de l'échantillon InP1116 (b). Le TEM champ clair est sensible aux champs de déformations des boîtes InAsP et de la matrice InP environnante, si bien que le contour des boîtes quantiques de surface est plus dicile à visualiser. Néanmoins, on constate que les boîtes quantiques de surface sont plus arrondies que les boîtes quantiques encapsulées.

Nous pensons donc que la descente en température modie profondément les ca- ractéristiques des boîtes quantiques. En particulier, nous ne sommes pas sûrs que la com- position des boîtes quantiques de surfaces soient identiques à celle des boîtes encapsulées. Nous mesurerons donc la composition de manière indirecte, suivant la méthode exposée dans la partie suivante.

La plupart des mesures EDX sur les boîtes quantiques de surface montrent qu'elles sont homogènes en composition. Nous supposerons par la suite que les boîtes quantiques encapsulées sont également homogènes, bien que les rapides échanges As/P à la surface peuvent conduire à des interfaces progressives [191, 192], car ces interfaces s'étendent au plus sur quelques monocouches [193].

(a) (b)

Figure 3.12  Longueur d'onde d'émission des boîtes quantiques en fonction de leur hau- teur et de leur composition, à 300K (a) et à 4K (b). Le calcul est eectué à partir d'un modèle unidimensionnel (puits quantique).

La longueur d'onde d'émission des boîtes quantiques peut être estimée par un modèle unidimensionnel, en considérant un puits quantique dont l'épaisseur est égale à la hauteur moyenne des boîtes quantiques [164]. Cela est justié par la grande taille latérale des boîtes quantiques [193]. La gure 3.12 donne la longueur d'onde d'émission des boîtes quantiques InAsxP1−x en fonction de la hauteur moyenne des boîtes et de la composition x : pour une température, une hauteur et une longueur d'onde données, la composition est donnée de manière univoque.

Nous avons déduit la composition des boîtes de cette manière, en mesurant d'une part la longueur d'onde d'émission par photoluminescence des échantillons par transformée de Fourier (FTIR) et d'autre part la hauteur moyenne des boîtes quantiques sur les images STEM HAADF.