Trois échantillons de chaque type (sur substrats Si ou SiC) ont été étudiés par photolumi-nescence au laboratoire Charles Coulomb de l'université de Montpellier. Les expériences ont été conduites par Pierre Valvin et Christelle Brimont et l'analyse des résultats par Pierre Lefebvre.
Les échantillons d'AlN sur Si(111) ont été élaborés dans les mêmes conditions et présentent des épaisseurs de 76 nm, 250 nm et 395 nm. Les échantillons d'AlN sur SiC : AlN-20, AlN-22 et AlN-24 ont été obtenus à l'aide du procédé 1 et présentent des épaisseurs de 200 nm pour
l'AlN-20 et AlN-24 et de 400 nm pour l'AlN-22. Les densités de dislocations vis pour chaque échantillon sont données dans le tableau II.18apour l'AlN sur Si(111) et dans le tableauIV.14b pour l'AlN sur SiC. L'échantillon AlN-22 présente également une densité importante de défauts macroscopiques (6.107/cm2, Fig.IV.6c).
Le grand gap de l'AlN impose des conditions expérimentales extrêmes pour pouvoir réaliser des mesures PL. L'échantillon doit être excité par un laser de faible longueur d'onde, opérant dans l'UV à 200 nm environ. Les mesures ont été réalisées à 196 nm pour une puissance (très faible) estimée par les expérimentateurs aux environs de 0,1 à 1 W/cm2.
Les mesures sur l'AlN sur Si(111) n'ayant donné aucun résultat, les spectres ne seront pas présentés ici. Les spectres bruts obtenus après 30 minutes d'accumulation pour les échantillons d'AlN sur SiC sont donnés gureIV.15. L'AlN-22 ne montre aucune diusion ou émission, seule apparaît la rétrodiusion du laser, induite d'après les expérimentateurs, par l'importante densité de défauts macroscopiques.
(a) AlN-20 (b) AlN-22
(c) AlN-24
Figure IV.15 Mesures PL des échantillons AlN-20, AlN-22, AlN-24 obtenus sur SiC. l'échan-tillon AlN-22 ne montre aucune diusion ou émission. Les échanl'échan-tillons AlN-20 et AlN-24 pré-sentent une diusion Raman à 6,226 eV et 6,190 eV (LO, Longitudinal Optical phonon). Pour l'échantillon AlN-20, une raie PL intense est observée à 5,976 eV et une très faible à 6,145 eV.
Les échantillons AlN-20 et AlN-24 présentent un petit pic, observé exactement à 111 meV sous la raie laser, correspondant à une diusion Raman E1(LO) (mode particulier de vibration du phonon àE1= 111meV, LO : Longitudinal Optical phonon) [111]. Pour l'échantillon AlN-20 deux raies PL sont observées : l'une est indubitable, bien que très faible, à 5.976 eV. L'autre, à peine visible, se trouverait à 6.145 eV. Avec les yeux de la foi, la trace d'une luminescence peut être distinguée vers 5.96 eV dans le spectre de l'AlN-24.
L'exploitation de ces résultats est très dicile, principalement en raison de la faible puissance du laser, et il n'est pas possible de conclure quant à la qualité optique des échantillons AlN-20 et AlN-24 comparés aux résultats trouvés dans la littérature [5558,112]. Des études plus nes seront nécessaires an de déterminer quantitativement le rapport entre la densité de défauts et la qualité optique des échantillons.
Conclusion
L'utilisation du substrat de 4H-SiC pour la croissance de l'AlN s'est révélée particulièrement bénéque. D'une part en atteignant notre objectif premier qui était d'obtenir des échantillons présentant de grandes terrasses et une densité de défauts très faible voire nulle. Et d'autre part cela a également permis de lever quelques voiles sur l'apparition des défauts dans les lms d'AlN.
Deux procédés (2 et 3) ont pu être mis au point grâce à ces études, qui permettent de minimi-ser l'apparition de défauts et d'augmenter la taille des terrasses des lms d'AlN. Les échantillons obtenus à l'aide du procédé 3 présentent une densité de dislocations coin assez importante mais très localisée et de grandes terrasses et se révèlent être idéaux pour le dépôt de molécules et de nano-plots métalliques. En revanche, leurs propriétés optiques sont médiocres en raison de leur faible épaisseur et de la densité de dislocations coin (estimée à 1.1011/cm2) et ne présenteront qu'un intérêt limité dans les domaines de l'opto-électronique ou d'électronique de puissance. Le procédé 2 permet d'obtenir des lms présentant des densités de défauts (densité de dislocations vis+ densité de défauts macroscopiques) très faible de 1.109/cm2 et des propriétés cristallines remarquables mais des terrasses de supercie moindre. La faible densité de défauts rend ces échantillons plus attractifs dans les domaines susnommés, mais la taille des terrasses reste limi-tante pour nos besoins.
Les valeurs des densités de défauts données dans la littérature sont du même ordre de gran-deur que ce que nous obtenons. Cependant, seuls sont comptés les défauts que nous appelons macroscopiques, les dislocations n'étant généralement pas prises en compte faute d'outils appro-priés. Nous estimons au vu des images fournies la densité de défauts à deux voire trois ordres de grandeur de plus (1.1010/cm2 à1.1011/cm2).
Deux origines possibles à l'apparition des dislocations coin ont pu être déterminées. La
pre-mière étant liée au substrat initial qui produit la majorité des défauts dans la couche d'AlN. Bien que faible, la diérence de paramètre de maille (1%) peut potentiellement induire une grande densité de dislocations : un défaut tous les cent atomes soit une densité de1011/cm2. Il apparaît cependant que la diérence de polytype qui existe entre le 2H-AlN et le 4H-SiC induit la majorité des dislocations dans nos lm d'AlN. Il est heureusement possible, mais dicile, de limiter l'im-pact de cette dernière grâce à un échantillon de SiC parfaitement préparé. La deuxième origine serait liée à une croissance trop rapide et à trop faible température. Les dislocations coin ainsi créées semblent être la brique élémentaire qui forme les défauts macroscopiques et les dislocations vis qui apparaissent pour des épaisseurs plus importantes.
Les mesures par diraction de rayons X ont montré que la qualité cristalline d'un lm d'AlN est liée à la densité de dislocations vis mais également à la nature du substrat initial. Les mesures PL quant à elles, se sont avérées plutôt décevantes, la faible puissance du laser ne permettant pas une analyse et une caractérisation précise des échantillons.
Bien que très performants, les deux nouveaux procédés (2 et 3) restent encore à améliorer.
Un début de température de croissance à plus haute température semble très prometteur pour diminuer la densité de défauts. Quelques études complémentaires seront également nécessaires pour trouver l'épaisseur qui présentera le meilleur compromis entre supercie des terrasses et densité de dislocations.
Pour conclure, le substrat de 4H-SiC s'avère être un substrat particulièrement adapté à la croissance de lms d'AlN d'excellentes qualités. Il n'a pas été possible par manque de temps d'exploiter complètement le potentiel d'un tel substrat et de nombreuses études complémentaires mériteraient d'être réalisées en vue d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu lors de la croissance.
Reconstructions de surface de l'AlN
Sommaire
Introduction. . . 114 V.1 Théorie . . . 114
V.1.1 Calculs DFT et reconstructions de surface (R. Robles, M. A. Pruneda et N. Lorente) . . . 114 V.1.2 Étude du point de fonctionnement en fonction des pressions et de la
température . . . 118 V.2 Études des reconstructions de surface par NC-AFM . . . 120 Conclusion . . . 122
113
Introduction
Les reconstructions de surface de l'AlN ont fait l'objet de quelques études théoriques [74,113 117], en raison de l'intérêt porté aux propriétés de surface de matériaux utilisés dans le domaine de l'électronique de puissance. Il est possible, à l'aide de calculs théoriques de prédire en fonction des paramètres de croissance (température et pression d'Al et de NH3) la reconstruction de surface la plus favorable. En raison du grand gap de l'AlN (6,2 eV) qui interdit l'utilisation du STM et de la faible résolution de l'AFM opérant à l'air, ces prédictions n'ont pu à ce jour être vériées.
Nous avons travaillé en collaboration, dans le cadre du projet AtMol, avec Nicolas Lorente, Roberto Robles et Miguel A. Pruneda (ICN2-CSIC, Espagne), qui ont eectué des calculs théo-riques an de déterminer les reconstructions envisageables dans nos conditions expérimentales.
Nous avons évoqué l'apparition sur les clichés RHEED d'une reconstruction (2×2) lorsque les lms étaient obtenus à l'aide des procédés de croissance 2 et 3. Grâce à des études par NC-AFM, il a été possible de caractériser à l'échelle de la maille les surfaces de lms d'AlN(0001) obtenus sur Si(111) et sur 4H-SiC(0001) et d'obtenir la première image de la reconstruction (2×2) de l'AlN.
Ce chapitre est composé de deux parties, la première détaille les calculs réalisés par le groupe de N. Lorente et présente les diérentes reconstructions envisageables. La deuxième partie pré-sente les études par NC-AFM à haute résolution de surfaces de lms d'AlN obtenus sur Si(111) et 4H-SiC(0001). Nous montrerons qu'il a été possible de conrmer partiellement les prédictions théoriques.