Fluctuations de composition dans des systèmes GaAs/GaAlAs observées par microscopie électronique en transmission

HAL Id: jpa-00245625

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Fluctuations de composition dans des systèmes GaAs/GaAlAs observées par microscopie électronique

en transmission

H. Heral, A. Rocher

To cite this version:

H. Heral, A. Rocher. Fluctuations de composition dans des systèmes GaAs/GaAlAs observées par

microscopie électronique en transmission. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique

/ EDP, 1987, 22 (8), pp.867-871. �10.1051/rphysap:01987002208086700�. �jpa-00245625�

Fluctuations de composition ^{dans des} systèmes GaAs/GaAlAs

observées par microscopie électronique

^en

transmission

H. Heral et A. Rocher

Laboratoire

d’Optique Electronique,

CNRS, 29, ^rue

Jeanne-Marvig,

³¹⁴⁰⁰ Toulouse, ^France

(Reçu

^{le 16} janvier 1987, révisé le 16 mars 1987, accepté le 30 avril

1987)

Résumé. ²⁰¹⁴ Les

changements

de concentration en aluminium dans les

dispositifs GaAs/AlxGa1-xAs

^sont

étudiés par

Microscopie Electronique

^en Transmission.

Lorsque l’épaisseur

de l’échantillon est inférieure à 80 _nm, l’intensité diffractée

I200

^en

position

^de Bragg ^{est une fonction} croissante de la concentration

x en Al. Deux

exemples d’hétérogénéité

de concentration sont discutés : un excès d’aluminium observé au

départ

de la croissance de

AlxGa1 -xAs

^{en MOCVD et une} fluctuation

périodique

^de

composition

^{dans des}

couches élaborées par MBE.

Abstract. ²⁰¹⁴ The concentration variations in aluminium are studied in the devices

GaAs/AlxGa1-xAs by

Transmission Electron

Microscopy.

^{When the}

sample

thickness is less than 80 _nm, the diffracted

intensity I200

^{is an}

increasing

function with aluminium concentration. Two

examples

^of

inhomogeneity

of concentration

are discussed : an aluminium excess at the

beginning

^{of an AlGaAs}

layer

grown

by

^{MOCVD and a}

periodic

fluctuation in some

layers

elaborated

by

^MBE.

Classification

Physics

^Abstracts

61.16D ^- 68.48 ^- 73.40L

De nombreuses études ont

déjà

montré que la

Microscopie Electronique

^en Transmission

permet

d’étudier la

qualité

^des

dispositifs GaAs/GaAlAs

élaborés par

épitaxie (voir

par

exemple [1]-[3]).

Pour mettre en évidence les variations de concentra- tion en

aluminium,

^la

technique

^du

champ

^sombre

(200)

^{est le}

plus

^{souvent utilisée. Nous}

précisons

^ici

les conditions d’observation dans

lesquelles

^{on doit}

se

placer

pour relier directement les contrastes observés sur

l’image

^{à des} variations de

composition

en aluminium. En

préparant

l’échantillon par

« cross-section » pour l’observer ^sur la

tranche,

^{il est}

possible

^{de mesurer}

l’épaisseur

des différentes cou-

ches et d’observer le

profil

^de concentration au

niveau des interfaces.

Deux

exemples

de structures, dans

lesquelles

^des

défauts de

composition chimique

^{ont été mis en}

évidence,

^sont ensuite discutés : un

superréseau

réalisé _par MOCVD et un laser à

puits quantique

réalisé _{par MBE.}

1.

Origine

^{du contraste} de facteur de structure.

Les observations en

Microscopie Electronique

^en

Transmission se font le

plus

^{souvent avec un seul}

plan

réflecteur en

position

^de

Bragg

^{exacte. C’est}

dans cette condition que l’intensité

I200

^{est la}

plus

sensible à la concentration en aluminium. Dans

l’approximation

^{à deux}

^ondes,

^{et sans tenir}

compte

des effets

d’absorption,

l’intensité de l’onde diffrac- tée en

position

^de

Bragg

s’écrit pour ^un matériau

homogène :

Io

^est l’intensité de l’onde

incidente ;

^{z est}

l’épaisseur

de l’échantillon traversée par les

électrons ; e.

^{est la}

distance d’extinction de la

réflexion g

pour le matériau considéré : elle est inversement

proportion-

nelle au facteur de structure

[4].

Dans le cas de

GaAlAs,

^le facteur de structure associé à la réflexion

(200)

^{s’écrit :}

x est la concentration ^en

aluminium, fGa, fAs

^et

f Al désignent

les facteurs de diffusion

atomique

^du

gallium,

^{de l’arsenic et} de l’aluminium dont les valeurs

numériques

^sont données par les tables de

Doyle

^{et Turner}

[5].

^Le facteur de structure associé à la réflexion

(200), exprimé

^en

Â,

^{s’écrit :}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01987002208086700

868

F200

varie linéairement avec la concentration en

aluminium x de

1,88 Å

^à

7,28 Â.

L’intensité

1a qui

varie avec

l’épaisseur

de l’échantillon est une fonc- tion de la concentration x par l’intermédiaire de

03BEg.

^Les maxima d’intensité sont donc atteints à des

épaisseurs

différentes pour des concentrations ^en aluminium différentes. La

période e.

étant d’autant

plus petite

que la concentration ^en aluminium est

élevée,

^le

premier

maximum d’intensité de

I200

^sera

atteint à une

épaisseur

^environ

quatre

^fois

plus

^faible

pour AlAs que pour GaAs.

Pour mieux fixer les

idées,

des calculs de théorie

dynamique

^ont été réalisés à six ondes à l’aide d’une méthode matricielle tenant

compte

des effets

d’absorption [6].

^La

figure

^{1 montre} les variations d’intensité de la réflexion

(200)

^en fonction de

l’épaisseur,

pour trois concentrations ^en aluminium différentes. L’intensité oscille en fonction de

l’épais-

seur avec une

période

^d’autant

plus

faible que la concentration en aluminium est élevée

(650

^nm pour GaAs et 170 nm pour

AlAs).

L’intensité maximum est obtenue pour ^une

épaisseur

^{de 85 nm dans AlAs}

et pour ^une

épaisseur

^{de 325 nm dans GaAs.}

Fig. ^{1. -} Variation de l’intensité de la réflexion

(200)

^en

position

^de Bragg ^en fonction de

l’épaisseur

pour trois concentrations d’Al différentes : 0 %, ³⁰ %, 100 ^{%. Calcul}

dynamique

^{à six ondes}

(400, 200,

000, 200,

400, 600),

^avec

absorption.

[Intensity

variation of the

(200)

reflexion in Bragg

position

with the thickness, for three aluminium concentrations :

0 %, 30 % and 100 %. The

dynamical

calculation was

made with six reflexions

(400, 200,

000, 200, 400,

600),

with

absorption.] ]

En tenant compte ^{de ces}

valeurs,

l’intensité s’écrit

en fonction de

l’épaisseur

^{z et de} la concentration x :

L’interprétation

^des contrastes est

simple lorsque l’épaisseur

de l’échantillon est inférieure à 85 _nm,

qui

^est la demi-distance d’extinction de AlAs. En

respectant

^cette

condition,

^{et sur une}

plage

^d’échan-

tillon

d’épaisseur ^uniforme,

l’intensité

I200

^est

d’autant

plus

^forte que la concentration en alumi- nium est élevée. L’observation sur

l’image

^d’intensi-

tés différentes révèle alors directement des concen-

trations différentes en aluminium.

La

figure

^{2 montre} la variation du contraste défini par

(I200(GaAlAs) - I200(GaAs))/I200(GaAs)

^en

fonction de _z, pour différentes concentrations ^en aluminium. On note que, à ^une

épaisseur

^z

donnée,

la valeur du contraste entre AlGaAs et GaAs est d’autant

plus

forte que la concentration ^en alumi- nium _xAl est élevée. De

plus, lorsque l’épaisseur

^{z est}

inférieure à 80 _nm, à _xAl

donnée,

^ce contraste est

pratiquement indépendant

^{de z,} à condition _que xAl soit inférieure à 60 %. Pour des concentrations d’aluminium

supérieures,

^{il faut se}

placer

^{à des}

épaisseurs plus

faibles pour ^{conserver un contraste} constant. L’évaluation de la concentration en alumi- nium d’une couche est donc

possible

^sans

qu’il

^soit

nécessaire de connaître

l’épaisseur

^{z avec}

précision.

Fig.

^{2. -} Variation du contraste entre

AlxGa1-xAs

^et

GaAs pour la réflexion

(200)

^en fonction de

l’épaisseur,

pour différentes valeurs de ^x.

[Contrast

variation with the thickness for the

(200)

^reflex- ion, ^between

AlxGa1-xAs

^and

GaAs.] ]

2. Résultats

expérimentaux.

Les échantillons sont

préparés

^{en vue} d’être observés

sur la

tranche,

par la

technique

habituelle dite de

« cross-section »

(voir

par

exemple [7]

^et

[8]). Après

avoir

découpé

l’échantillon en

plusieurs

^tranches

suivant le

plan

^de

clivage (110),

^on colle deux de ces

tranches

tête-bêche, puis

^on amincit l’ensemble

mécaniquement jusqu’à

^une

épaisseur

^{de 50 03BCm}

environ. On termine par ^un

usinage ionique (ions Ar+ ,

⁵

kV, angle d’attaque

^15°

puis

5° pour

finir), jusqu’à

^ce

qu’on

^{obtienne un trou au centre de}

l’échantillon ;

^{au bord de ce} trou, il existe des ^zones suffisamment minces pour être étudiées ^{en MET.}

On-peut

ainsi observer les couches

épitaxiées

^{sur la}

tranche,

suivant la

direction (110)

^{normale au}

plan

de

clivage.

Les

photos

^{ont été réalisées sur un}

Microscope Electronique

^en Transmission JEOL

200CX,

^à 200 kV.

2.1 SUPERRÉSEAU

GaAs/Al30Ga70As. 2013

^Le pre- mier échantillon étudié est un

superréseau

^réalisé

par

MOCVD, qui comporte

^une centaine de couches GaAs et

A13()Ga7oAs

^alternées

périodiquement.

La

figure

^{3a montre un}

champ

^{sombre réalisé avec}

la réflexion

(200)

^en

position

^de

Bragg :

les couches de GaAs

apparaissent

^{en sombre et} les couches de

Al30Ga70As

^{en clair. Le}

profil

d’intensité

présenté figure

3b donne la variation de

1 200

suivant la direc- tion de croissance. Il a été tracé à

partir

d’un relevé

densitométrique

^{effectué sur la}

plaque photo.

^Il

apparaît

^{au début de}

chaque

^couche

^GaAlAs,

^une

fine bande blanche de un à deux nm

d’épaisseur.

L’épaisseur

de l’échantillon étant inférieure à 80 nm sur la zone

observée,

^on

_peut

affirmer que la concentration en aluminium de cette fine couche est

supérieure

^{à la} concentration choisie pour GaAlAs

(30 %).

Pour déterminer

approximativement

^{la concentra-}

Fig. ^{3. -}

a) Micrographie

^en champ ^sombre

(200)

^d’un superréseau

GaAs/ AI30Ga7oAs.

^{E : erreurs de}

périodicité.

b)

^Relevé

densitométrique

représentant ^la variation de l’intensité

I200

suivant la direction de croissance.

[a) (200)

^{dark field}

image

^{of a}

superlattice GaAs/ AI30Ga7oAs.

^{E : errors in}

periodicity. b)

^Microden-

sitometer trace,

showing

^the

intensity I200

^variation along

the

growth direction.] ]

tion en aluminium de cette couche

fine,

^{on utilise le}

rapport

^{entre les} contrastes des deux couches AlGaAs par

rapport

^{à la} couche GaAs :

où

I200(x)

^est l’intensité de la réflexion 200 pour la concentration x en aluminium à déterminer. On voit

sur le relevé

densitométrique

que l’intensité

1 (x )

varie d’une

période

à l’autre : cette variation traduit

un

changement d’épaisseur ;

par contre, le rapport ^a

qui

traduit le

rapport

^{entre les} contrastes reste constant

(a

⁼

3 ).

^On

peut simplifier

la relation ci- dessus par

I(0),

^et ainsi s’affranchir de la mesure de

I200(0)

^{en valeur}

^{absolue ;}

^en

exprimant I200(x)

^en

fonction de

l’épaisseur

^{z :}

Compte

^{tenu des} contrastes,

l’épaisseur

^{de la zone}

se situe autour de 40-50 nm. Le tableau suivant donne la valeur de x calculée à

partir

de la relation

ci-dessus,

pour différentes

épaisseurs :

La concentration en aluminium de la couche fine

se situerait donc autour de 70 %. Cet excès d’alumi- nium

qui apparaît

^{au début de}

chaque dépôt

^GaAlAs

a

également

été détecté

(mais

^non

mesuré)

par Hersee et al. _par SIMS sur un échantillon à

plusieurs puits quantiques

^{élaboré avec les mêmes}

procédures

de croissance

[9].

Griffiths et al.

[10], ayant

^obtenu des résultats semblables sur leurs

échantillons,

^en

ont attribué la cause à un

phénomène

transitoire entraînant dans le réacteur une

surpression

^du

triméthylaluminium (TMA)

^{au début de la crois-}

sance de AlGaAs. En

effet, lorsque

^{la couche de}

GaAs a atteint

l’épaisseur ^voulue,

^{un flux de TMA}

est

ajouté

^aux flux d’arsine et de

triméthylgallium (TMG)

^{dans le réacteur. Ce flux est}

coupé lorsque

^la

couche de AlGaAs a

atteint l’épaisseur

désirée. Si la

pression

^{de TMA est mal contrôlée}

(en

l’occurrence trop

élevée),

la concentration en Al sera

également

trop

élevée ;

^la

pression

^{de TMA se} stabilise ensuite très

vite, puisqu’on

^{observe une} concentration en

aluminium uniforme dans le reste de la couche.

Enfin, l’épaisseur

des couches

déposées

peut ^être mesurée avec une

précision

de l’ordre de

quelques

^%

870

sur le relevé

densitométrique.

^{On obtient}

^ainsi,

^en

moyenne, ^une

épaisseur

^{de 13 nm} pour GaAs ^et de 17 nm pour AlGaAs

(incluant

la fine couche à fort taux

d’Al),

^{soit une}

période

^{de 30 nm. Les erreurs}

de

périodicité (E

^{sur la}

Fig. 3a)

^{sont dues à un}

contrôle manuel du

temps

^de

dépôt.

2.2 DIODE LASER : STRUCTURE SYMÉTRIQUE À CINQ COUCHES. - Le second

exemple

concerne une structure à

puits quantique

^de

cinq

^couches

symétri-

ques, destinée à la réalisation d’une diode

laser,

réalisée par MBE dans ^un bâti RIBER 2500

(voir Fig. 4).

Fig. ^{4. -} Structure de la diode laser : profil ^{de concentra-}

tion en Al.

[Laser

^diode structure : aluminium concentration

profile.]

Sur la

figure ^5a,

^on peut

distinguer

^les

cinq couches, comportant

^{les trois taux d’Al différents}

(70 %, ^{25 %,} 0 %).

^Deux observations vont être discutées : une fluctuation de concentration d’alumi- nium et la

planéité

^des interfaces.

2.2.1 Fluctuation de la concentration en Al. ^- Sur les

figures 5a,

^{5b et}

5c,

des variations

périodiques

^de

l’intensité

I200

^{sont observées dans} la couche de

Al70Ga30As

^et dans celle de

Al25Ga75As

^{suivant la}

direction de

croissance, indiquant

^des fluctuations de concentration d’Al. Les

périodes

^{de ces varia-}

tions,

^{mesurées sur les}

photos

^{5b et}

5c,

^{sont d’envi-}

ron 22 nm dans

Al70Ga30As (P1)

^{et de 8 nm}

(P2 )

^dans

Al25Ga75As.

^{Ces deux}

périodes

correspon- dent en fait au .même temps de croissance.

En

effet,

les vitesses de croissance ^sont différentes suivant la

composition

^{en Al : en}

^MBE,

^{la vitesse de}

croissance est déterminée par ^le flux de l’élément III

(Al

^et

Ga),

l’élément V

(As)

^étant

toujours présent

en

quantité supérieure. Lorsqu’on

^veut

changer

^le

taux d’aluminium d’une

couche,

par

exemple

^le

diminuer,

^les

températures

^des cellules de Ga et de As sont

inchangées (et

^{donc les}

flux),

^{seule la}

température

^de la cellule d’Al est

diminuée ;

^{le flux}

d’AI est donc le seul flux

qui

^diminue.

Donc,

^{dans un} temps donné, ^la

quantité

^{totale de matière}

déposée

diminue : cela se traduit _par une diminution de la vitesse de croissance. Le flux d’AI

régule

^{donc la} concentration en Al mais aussi la vitesse de crois-

Fig. ^{5. -}

Micrographie

^en champ ^sombre

(200)

^d’une

diode laser.

a)

Observation des

cinq

couches, la couche du milieu

(3)

^{étant le}

puits quantique

^{GaAs de} 6 nm ;

ondulation de l’interface 1/2.

b) Pl :

fluctuation de concen-

tration d’aluminium de

période

22 nm dans la couche

AhoGa3oAs ;

LI : front de croissance

plan ; L2 :

^{début de}

l’ondulation

qui

^{est accentuée en}

L3. c) P2 :

fluctuation d’Al de

période

^{8 nm} dans la couche

Al25Ga75As.

[(200)

dark field

image

^{of a} laser diode.

a)

Image ^{of the}

five layers, the middle

layer (3)

is the GaAs quantum ^well

(6 nm) ;

^note the interface

(1/2)

ondulation.

b)

P 1:

aluminium concentration fluctuation of 22 nm period ⁱⁿ

Al70Ga30As

layer ;

Li :

^the

growth

^{front is}

plane ;

L2:

beginning

^{of the} ondulation ;

L3 :

accentuation of the ondulation.

c) P2:

aluminium fluctuation of 8 nm

period

in

Al25Ga75As layer.]

sance : celle-ci est d’autant

plus

lente que la ^concen- tration en Al est faible.

Ici,

^les vitesses de croissance de

Al70Ga30As

^et

Al25Ga75As

^sont

respectivement :

560

A/min

^et 200

Â/min [11].

Dans les deux cas considérés

(Al7oGa3oAs

^et

Al25Ga75As),

^la

période

de fluctuation de concentra- tion en Al

correspond

^{à un même} temps ^{de crois-}

sance,

égal

^{à 24 s ; ce}

temps correspond

^{à la}

période

de rotation du substrat

(2,5 tours/min).

^Ceci

suggère

que ^{le flux} d’Al n’est pas

spatialement homogène

^au

niveau du substrat : si le substrat ne tournait pas, la concentration ^d’Al serait

plus

forte d’un côté que de

l’autre ;

^{le mouvement de rotation}

implique

que

chaque point

^du substrat passe alternativement par des zones où le flux d’Al est faible et des zones où il est

élevé,

^la

période

^étant strictement

égale

^au temps

que ^met le substrat pour effectuer ^{un tour.} Il

s’agit

donc d’une

hétérogénéité spatiale

du flux d’Al.

2.2.2 Planéité des

interfaces.

^{- La}

photo

^{5a met en}

évidence une ondulation de l’interface entre les deux

premières

^couches

Al70Ga30As

^et

Al25Ga75As (1/2),

dont

l’amplitude

^{est d’environ 20 nm. La}

photo

^5b

montre que la fluctuation

périodique

^{de concentra-}

tion en Al observée dans

Al70Ga30As

^{suit le contour}

ondulé de

l’interface ;

^cette ondulation commence à environ 300 nm au-dessous de l’interface 1/2

(ligne L2) puis s’amplifie (L3).

^Ceci prouve que l’ondula- tion se

produit

^{en cours} de croissance et non

après

^le

dépôt

^{de la}

couche,

lors de l’arrêt de croissance de

quelques

^minutes nécessaire _pour diminuer la

tempé-

rature de la cellule d’Al et amener ainsi la concentra- tion d’Al de 70 à 25 %.

Les interfaces suivants

présentent

très peu d’ondu-

lations,

^{le front} de croissance semble se

rapprocher

d’une surface

plane lorsque

^{les couches contenant}

une concentration en aluminium inférieure à 25 % suivantes sont

déposées.

Singh et

^al.

[12] soulignent

^la différence de

profil

du front de croissance de AlGaAs et GaAs en

MBE ;

^ils attribuent la déviation du front de crois-

sance de GaAlAs

(à

^{fort taux}

d’aluminium)

^{à des}

vitesses de

migration plus

faibles pour les ^atomes d’Al que pour les atomes de Ga. Les atomes d’Al se

déposant

^sur les couches

supérieures

^{ne sont} pas

assez mobiles en surface pour

migrer

^vers les couches inférieures le

long

^{des marches de}

croissance,

^{et la}

croissance

s’éloigne

^de

plus

^en

plus

^du type ^bidimen- sionnel. Le

dépôt

^d’un

alliage

^{à faible taux d’Al tend}

au contraire à rétablir la

planéité

^{de la surface}

(voir

aussi

[13]

^et

[3]) :

^{c’est ce}

qu’on

observe pour les couches à 25 % et 0 % d’Al

déposées

^{sur la surface}

de

Al7oGa30As

^ondulée.

Conclusion.

Les deux

exemples

^{donnés montrent} que la Micros-

copie Electronique

^en Transmission est une méthode très sensible pour ^détecter des fluctuations de concentration en aluminium dans les

dispositifs GaAs/GaAlAs.

^En

^effet, lorsque l’épaisseur

^de

l’échantillon est inférieure à 80 _nm, l’intensité dif- fractée

I2w

^en

position

^de

Bragg

^{est une fonction}

croissante de xAl. La ^mesure faite à

partir

^du

contraste observé entre les différentes couches per-

met de

plus

^de déterminer la concentration en

aluminium dans des couches de

composition

^incon-

nue.

Remerciements.

Nous remercions S. Hersee et J.-P. Duchemin ainsi que B. St

Cricq

^{et H. Martinot} pour ^nous avoir fourni des échantillons. Nous tenons

également

^à

remercier L. Bernard pour ^son assistance

technique

dans la

préparation

^des échantillons pour la Micros-

copie Electronique.

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