Nanostructures III-V pour l’électronique de spin

Les paramètres de croissance 

La température du substrat

 La température de croissance a une influence sur la longueur de diffusion des adatomes à la surface. Ainsi, plus la température de croissance est élevée, plus les nuclei sont espacés et la densité des boîtes quantiques qui en sont issues est faible [Kamiya02]. De même, les énergies de surface, de volume et d’interface n’évoluent pas de la même manière avec la température, ce qui a une influence sur l’épaisseur critique de transition en elle-même [Lee97]. Nous avons exploité l’influence de ce paramètre pour produire des boîtes quantiques de très faible densité ; la température du substrat a été maintenue à 540°C pendant le dépôt de 1,9MC d’InAs, ce qui est une quantité inférieure à celle requise pour faire croître des boîtes quantiques à cette température. Ensuite, la température a été abaissée à 520° ; pour cette température, 1,9MC suffisent pour que la croissance passe tridimensionnelle, puisque l’épaisseur critique de transition est de 1,8MC. Ainsi, les nuclei potentiels de la couche de mouillage se concrétisent en boîtes quantiques, avec cependant une densité très faible. Ici, la densité mesurée est très faible, de l’ordre de 2.107 .cm-2, ce qui constitue l’état de l’art de densité minimale à notre connaissance dans le système InAs/GaAs (figure 1.1) On a donc démontré que la température est un paramètre très efficace pour varier la densité des boîtes. Figure 1.1 Image AFM montrant une très faible densité de boîtes quantiques d’InAs/GaAs obtenue en exploitant la dépendance en température de l’épaisseur critique de transition 2D-3D 2. La pression partielle de l’élément V La pression partielle de l’élément V a elle aussi une influence sur la longueur de diffusion des adatomes, donc sur la densité des boîtes. Mais elle peut aussi jouer un rôle crucial par le biais de la reconstruction de surface. Dans le cas général, la croissance des boîtes quantiques se fait sur une surface riche en arsenic, initialement reconstruite c(4*4) ; à 520°C, la transition 2D3D intervient pour 1,8MC d’InAs déposé environ. Cependant, sur une surface reconstruite (4*2) stabilisée indium, cette transition n’intervient qu’au-delà de 3MC [Behrend96]. Cette propriété a été exploitée dans [Eynik04], où Eyink et al. ont brusquement augmenté la pression partielle d’arsenic après le dépôt de 3MC d’InAs sur une surface stabilisée indium. Cette augmentation du flux d’arsenic a eu pour effet de provoquer ainsi la transition 2D-3D. La tension de la surface stabilisée indium (4*2) est telle que la surface ne peut pas devenir rugueuse ; cette tension est significativement plus importante que dans le cas d’une surface (2*4) riche en arsenic [Snyder93]. Par conséquent, le flux d’élément V joue un rôle crucial dans la nucléation des boîtes quantiques. 

La pression partielle de l’élément III 

La pression partielle de l’élément III détermine la vitesse de croissance du matériau épitaxié, qui a une influence sur l’évolution des nuclei à la surface du substrat ; les considérations qui suivent sont strictement cinétiques. Il existe une compétition entre deux phénomènes, que sont d’une part la naissance de nouveaux nuclei métastables par appariement d’adatomes et l’alimentation des nuclei déjà présents à la surface par les adatomes. Si ce dernier mécanisme l’emporte, typiquement pour des vitesses de croissance faibles, et donc de grandes longueurs de diffusion, la densité des nuclei est abaissée. Pour les fortes vitesses de croissance, c’est le premier mécanisme qui est activé [Sagnes98, Nakata00]. Aussi, la densité des boîtes quantiques augmente avec la vitesse de croissance (figure 1.2). Figure 1.2 Evolution de la densité de boîtes quantiques InAs/GaAs avec la vitesse de croissance [Alloing05] Ainsi, B. Alloing et al. ont réussi à atteindre de faibles densités (2.108 .cm-2) en faisant croître les boîtes quantiques à une très faible vitesse, inférieure à 0.002MC.s-1 (figure 1.2). B. La morphologie de surface 1. Epitaxie sur une surface structurée Les points de vue cinétique et thermodynamique vont dans ce cas conduire à des mécanismes de nucléation différents, abondant cependant dans le même sens. Structurer le substrat, ou utiliser des substrats vicinaux va diriger les adatomes en surface. En effet, il existe une barrière d’énergie en bord de marche atomique ; cette barrière induit un confinement des adatomes qui vont de manière préférentielle alimenter les nuclei proches de ces aspérités. Ce mécanisme conduit à l’organisation spontanée des boîtes quantiques suivant les marches atomiques [Bortoleto03] (ici dans le système InAs/InP). Nous décrirons plus en détail les répercutions qu’a la structuration de surface sur la croissance des boîtes quantiques dans le chapitre 3. Nous verrons notamment que l’on peut distinguer plusieurs régimes de croissance selon la longueur de diffusion des adatomes d’élément III à la surface du substrat. 

Composition de la couche en surface 

Le potentiel chimique, la reconstruction et la rugosité de la surface dépendent de sa composition. Ainsi, la longueur de diffusion des adatomes ainsi que la stabilité de nuclei à la surface peuvent varier en fonction de la nature de la couche superficielle du substrat. Bauer et al. [Bauer04] font état de l’alignement de boîtes le long d’un super réseau de AlAs/GaAs. Dans le cadre de ces travaux, ils font croître dans un premier temps une série de puits quantiques GaAlAs/GaAs de concentration en aluminium différente, puis clivent le substrat ainsi obtenu sous ultravide. Ils reprennent ensuite la croissance des boîtes quantiques sur la tranche du substrat, donc sur le réseau de puits quantiques ; Comme les puits sont accordés aux mailles des barrières, cet arrangement peut s’expliquer en termes de longueur de diffusion des adatomes sur ces matériaux. En effet, la longueur de diffusion des adatomes d’indium est beaucoup plus importante sur le GaAs [110] que sur l’AlAs [Ballet01], ce qui favorise la nucléation des boîtes quantiques dans ces régions riches en aluminium. Des travaux équivalents ont été menés sur la tranche de puits de GaInAs [Wasserman04], qui mettent en évidence le fait que la nucléation se fait de manière préférentielle sur les puits qui contiennent davantage d’indium (figure 1.3).