Spectroscopie de Photoluminescence

1.6.2.1 Principe

La photoluminescence (PL) caractérise la radiation émise par un matériau dans un état hors équilibre après absorption d’énergie sous forme de photons. Pour obtenir de la photoluminescence, il est nécessaire que l’énergie des photons incident soit supérieure à l’énergie de bande interdite du matériau excité afin qu’il y ait création de paires électron trou. Le mécanisme de photoluminescence se décompose en trois étapes :

- Excitation d’une paire électron-trou par absorption d’un photon,

- Relaxation des porteurs vers les extrema des bandes de conduction et de valence,

- Recombinaison de la paire électron-trou et émission de lumière.

Eg h’ν’ électron trou Bande de valence (1) (2) hν Bande de conduction (3)

Figure 16 : Mécanisme de photoluminescence, (1) excitation d’une paire électron-trou, (2) relaxation des porteurs vers les extrema des bandes de conduction et de valence, (3) recombinaison de la paire électron-trou et émission de lumière

La probabilité de recombinaison est élevée lorsque le gap du semiconducteur est direct. Dans le cas de puits quantique GaInAs/GaAs, le spectre de PL se caractérise par un pic principal d’émission hν dû à la recombinaison radiative entre les niveaux e1 (électrons) et hh1 (trous lourds) du puits :

hν = Eg + Ee1 + Ehh1 - Ebh1

Où Eg est l’énergie de bande interdite du matériau, Ee1 est l’énergie de confinement du premier niveau électronique du puits quantique, Ehh1 est l’énergie de confinement du premier niveau de trou lourd dans le PQ, et Ebh1 est l’énergie de liaison de l’exciton. Lorsque le gap est indirect, la probabilité de recombinaison varie de manière sensible avec la température, puisque celle-ci ne peut avoir lieu que par le biais de phonons.

1.6.2.2 Banc de photoluminescence

Le banc de photoluminescence est représenté sur la Figure 17. La source d’excitation de l’échantillon est un laser source solide pompé, avec une raie à 532nm (2.33eV) supérieure à l’énergie de bande interdite du GaAs (1.42eV) et des alliages In(Ga)As étudiés.

La luminescence est diffusée dans toutes les directions, une lentille permet d’en récupérer une partie, ensuite elle est focalisée sur la fente d’entrée du monochromateur, puis elle est recueillie par le détecteur. La résolution du système dépend de l’ouverture de la fente d’entrée. Pour avoir accès à plusieurs gammes de la lumière on utilise différents détecteurs. Une photodiode GaInAs est utilisé pour les longueurs d’ondes comprises entre 1050nm et 1400nm, et une photodiode Si est utilisé pour la gamme 400nm – 1050nm. Une détection

Chapitre 1 : Généralités

synchrone permet d’améliorer le rapport signal/bruit via le positionnement d’un hacheur à une fréquence de 313Hz à la sortie du laser.

Les nanostructures que nous avons réalisées lors de ces travaux l’ont été sur des surfaces de 300µm x 300µm (parfois moins). Pour observer la photoluminescence de ces zones, le montage a été modifié (par A. Arnoult) afin de pouvoir se positionner sur les nanostructures. Un objectif (x80) a été ajouté devant l’échantillon pour augmenter l’angle solide avec lequel on récupère le signal de luminescence émis de l’échantillon analysé. L’insertion d’une lame de verre permet via une légère défocalisation du spot d’observer une image de la surface sur un écran, et ainsi de connaître précisément l’endroit observé.

Laser Mono chromateur Photons 313 Hz Chopper Filtre Filtre Amplificateur Détecteur Laser Mono chromateur Photons 313 Hz Chopper Filtre Echantillon Objectif x80 Ecranpermet la visualisation de la surface via une légère défocalisation du laser sur la surface Lame de verre Miroir Filtre Détecteur Amplificateur

(b)

(a)

Figure 17 : Banc de photoluminescence pour une observation non localisée (a), montage de micro-PL pour une observation de la photoluminescence des nanostructures.

1.6.2.3 Microscopie à force atomique

Le microscope à force atomique a été proposé en 1986 par Binning et al [Binning 1986]. Une pointe est fixée à l'extrémité d'un levier (cantilever), et est amenée au-dessus d'un échantillon placé sur une platine de déplacement (balayage XYZ). Une cartographie de la grandeur mesurée est obtenue en balayant la pointe sur l'échantillon. La déflection du cantilever sous l'effet de la force d'interaction est mesurée par la déviation d'un faisceau laser réfléchi par l'extrémité du cantilever et collecté sur une diode photoélectrique segmentée (deux ou quatre cadrans) (voir Figure 18). La pointe AFM peut être utilisée en mode statique ou mise en mode oscillant. Dans ce dernier cas, on fait vibrer le cantilever grâce à une pastille piézo-électrique en contact avec son support. La force d'interaction peut être due aux forces répulsives entre les atomes de la pointe AFM et ceux de la surface, à des forces de Van der Waals à courte portée, à des forces capillaires, au frottement, à des processus magnétiques ou électrostatiques si la pointe est conductrice ou recouverte de matériau magnétique, à des processus catalytiques, etc.

Dans le cadre de nos travaux nous nous limiterons à une utilisation de l’AFM en mode oscillant (pour préserver la surface de nos échantillons) pour obtenir des images du relief des surfaces des échantillons.

Détecteur et électronique Laser evier et pointe Photodiode L Surface de l’échantillon Porte échantillon

Figure 18 : Schéma de principe du fonctionnement d’un microscope à force atomique.

Il convient de prendre en compte de l’effet de pointe lors de l’observation de la surface d’un échantillon par AFM [Turala 2007]. En effet la forme pyramidale d’une pointe AFM induit une déformation du relief mesuré par le microscope. La mesure des zones hautes de la surface est relativement fidèle à la réalité, cependant la largeur de la pointe peut l’empêcher de mesurer exactement la typographie des zones basses de la surface. Par exemple dans le cadre d’un champ de trous dont le diamètre est inférieur à 100nm et la profondeur supérieure à 20nm, il est difficile d’observer le relief du fond des trous, l’utilisation de pointes « nano » spécifiques peut limiter cet effet cependant elles ne sont pas une solution universelle. Une déconvolution de l’image obtenue, par la forme de la pointe, peut elle aussi permettre d’améliorer la fidélité de l’image.

L’utilisation d’un microscope AFM interdit l’observation de flancs d’un motif dont l’angle avec la surface plane est supérieur à l’angle de la pointe pyramidale.

1.6.2.4 Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires

Les analyses SIMS ont été réalisées à l’INSA Toulouse par Claude Armand. Il utilise un système Cameca IMS 6F. L’analyse SIMS consiste à pulvériser par un faisceau d’ions primaires l’échantillon à analyser. Les ions secondaires réémis, formés à partir des éléments du matériau étudié, sont ensuite analysés par un spectromètre de masse. La source d’ions est portée à 10kV et l’échantillon à analyser est à une haute tension inférieure à celle de la source afin de permettre une accélération suffisante des ions du faisceau primaire. La tension appliquée à l’échantillon, dans notre cas, était de 4.5kV pour une analyse en ions secondaires positifs, elle peut être de -4.5kV pour une analyse en ions secondaires négatifs. L’équipement de l’INSA Toulouse dispose de deux sources d’ions primaires, une source de césium (ions Cs⁺ que nous avons utilisé) et une seconde d’oxygène (ions O2⁺).

La résolution en profondeur de l’analyse dépend des conditions expérimentales (ions primaires, accélération…), mais aussi de la rugosité de la surface. Lors du suivi de plusieurs masses, on peut améliorer la résolution en utilisant la fonction « beam blanking » qui consiste à arrêter l’érosion de l’échantillon lorsque le système de détection se déplace d’une masse à une autre.

La résolution en masse consiste à discerner deux masses proches. Des interférences entre ions de masses voisines peuvent survenir et fausser les résultats. Cependant l’augmentation de la résolution en masse s’accompagne d’une diminution de l’intensité du signal détecté. Il convient donc d’ajuster ce paramètre en fonction des éléments étudiés afin de conserver un signal significatif. Lors de nos études sur la contamination des interfaces de reprise d’épitaxie, nous avons dû utiliser une haute résolution massique pour séparer les ions

Chapitre 1 : Généralités

secondaires S^- et O2^-. L’effet de matrice est un autre paramètre à prendre en compte lors d’une étude SIMS. L’effet de matrice est un terme général qui désigne les différences de sensibilité du SIMS pour un même élément dans deux échantillons de compositions différentes. Ces variations peuvent être dues à un taux d’ionisation ou un rendement d’érosion différent. Une analyse en ions Cs⁺ et en ions secondaires positifs permet de minimiser les effets de matrice de part la faible énergie des ions incidents qui limite la profondeur d’érosion et perturbe peu l’émission des ions secondaires.

Enfin, les concentrations des éléments étudiés sont normalisées par rapport à la concentration de ces éléments dans des échantillons références dont la concentration est connue. Cependant les valeurs quantitatives des analyses SIMS sont données avec une incertitude relative de 10 à 20%.