Patrick Desjardins
Professeur titulaire

Titulaire, Chaire de recherche du Canada en physique de la matière condensée
Regroupement québécois sur les matériaux de pointe (RQMP)
Groupe de recherche en physique et technologie des couches minces
Département de génie physique, patrick.desjardins@polymtl.ca

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Couches hétéroépitaxiales: Croissance,mécanismes relaxation des contraintes, propriétés optoélectroniques et dispositifs

Couches contraintes

La juxtaposition de couches semi-conductrices de compositions variées permet de façonner les propriétés optiques et de transport électronique des matériaux en vue de leur utilisation dans la fabrication de dispositifs optoélectroniques et microélectroniques de plus en plus performants. La mise au point de nouvelles techniques de croissance épitaxiale hybrides basées sur une meilleure compréhension de la science des surfaces pour contrôler la cinétique de synthèse des matériaux à l’échelle atomique permettra la fabrication d’une nouvelle génération de dispositifs et de circuits et, par conséquent, l’émergence de réseaux de communications à large bande et des vitesses de traitement des données accrues.

Les contraintes résultant des différences de paramètres de maille entre les divers semi-conducteurs utilisés dans les hétérostructures, actuellement exploitées pour modeler les propriétés des couches semi-conductrices, peuvent devenir suffisantes pour que l’introduction de dislocations de désaccord paramétrique ou la formation de structures non planes s’avèrent énergétiquement favorables (voir figure ci-dessous). Ces deux mécanismes de relaxation des contraintes sont thermiquement activés et interreliés. Afin de limiter l’apparition de défauts cristallins dommageables dans les hétérostructures, il importe de bien comprendre les processus atomiques de la croissance épitaxiale et les mécanismes menant à l’introduction des défauts. Ce besoin de prévenir ou de contrôler la relaxation plastique ou élastique stimule de nombreuses recherches dont les applications sont multiples. D’une part, on cherche à déterminer les conditions de croissance permettant de croître des couches fortement contraintes cohérentes (i.e. sans dislocations) et planes pour exploiter les concepts d’ingénierie de la structure de bande lors de la fabrication de dispositifs performants. D’autre part, on veut tirer avantage de l’apparition de rugosité de surface pour synthétiser des nanostructures auto-assemblées en une seule étape de croissance épitaxiale (voir nanostructures auto-assemblées).

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Relaxation dans les multicouches

La relaxation des contraintes par la génération de dislocations de désaccord de maille peut se produire de plusieurs manières dans les multicouches et les super-réseaux en raison de la présence de plusieurs interfaces. Les dislocations peuvent être introduites à l'une ou plusieurs de ces interfaces selon le niveau de contrainte et l'épaisseur des différentes couches.

relax multi.gif (11290 bytes)Le cas d'une multicouche InAsP/InP sur un substrat de InP(001) est illustré à la figure ci-contre. Le paramètre de maille de l'InAsP est supérieur à celui de InP; la déformation de l'InAsP dans le plan de croissance pour s'accorder au paramètre de maille du substrat est simplement notée e. La multicouche croît de manière cohérente lorsque l'épaisseur de la couche de InAsP est inférieure à l'épaisseur critique alors que des dislocations sont générées à chaque interface lorsque hInAsP > hc(e). Il existe cependant une situation intermédaire : lorsque l'épaisseur de chaque couche est inférieure à l'épaisseur critique, la multicouche est initialement cohérente. Cette multicouche peut alors être associée à une couche contrainte dont la composition moyenne est calculée à partir de la composition de la couche d'InAsP et de l'épaisseur des couches de InP et InAsP. Lorsque l'épaisseur de la multicouche (htotal) dépasse l'épaisseur critique pour la déformation moyenne (hc(emoyen)), des dislocations de désaccord paramétrique sont introduites à l'interface entre le substrat et la multicouche.  Dans cette situation, le paramètre de maille dans le plan de croissance sera le même pour toute la multicouche.

Cependant, tel qu'illustré, la maille cristalline sera maintenant déformée dans les deux matériaux et ces déformations auront un impact majeur sur la structure de bande de la multicouche. Les propriétés optoélectroniques sont par conséquent modifiées.

 

Hétérostructures à contraintes compensées

Les hétérostructures à puits quantiques multiples InAsP/GaInP sur InP sont d’intérêt pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques pour les télécommunications, en particulier pour des lasers et des modulateurs optiques couvrant les longueurs d’onde allant de 1,06 à 1,55 µm. Ce système de matériaux est d’autant plus intéressant que les contraintes compressives dans les couches InAsP peuvent être exactement compensées en ajustant la contrainte en tension des couches GaInP. Ceci permet de s’affranchir des limites habituelles d’épaisseur critique de Matthews-Blakeslee pour la génération de dislocations de désaccord paramétrique, une exigence essentielle pour le design et la fabrication de modulateurs optiques ayant une région active suffisamment épaisse pour les utiliser dans des géométries en incidence normale ou en guide d’onde.

Les différents mécanismes responsables de la relaxation des multicouches à contraintes compensées GaInP/InAsP déposées par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (OMVPE) ont été étudiés par une combinaison d’analyses de microscopie électronique en transmission (MET), de diffraction de rayons x à haute résolution (DRXHR) et de cartographie de l’espace réciproque. Nous avons examiné séparément l’effet du désaccord paramétrique f et de l’énergie totale de contrainte eT sur les mécanismes de relaxation. Nous avons également étudié l’effet de la température de croissance Ts sur le développement des instabilités morphologiques. Pour les structures composées d’un petit nombre de périodes de super-réseau, N = 10, MET et DRXHR indiquent que la relaxation des contraintes a principalement lieu via la formation d’inhomogénéités aux interfaces lorsque le désaccord de maille f augmente (au moins jusqu’à |f|= 1%, le plus grand désaccord de maille utilisé dans ces expériences). D’autre part, lorsque la grandeur du désaccord de maille est maintenue constante, augmenter le nombre de périodes mène éventuellement à la génération massive de dislocations dans la multicouche. Ainsi, pour |f| = 0,75%, la fin de la croissance cohérente est observée autour de la 14-15e période pour un échantillon de 50 périodes. Cependant, les structures à contraintes compensées peuvent être dans un état métastable car, pour un échantillon de 20 périodes de même composition, toutes les couches sont planes et aucune dislocation n’est visible. Finalement, nous avons observé que la température de croissance Ts a un effet draconien sur la morphologie des couches : une augmentation de Ts de 620 à 680°C en gardant tous les autres paramètres constants mène à de fortes modulations latérales ainsi qu’à la génération de dislocations dans les structures. L’analyse du contraste de diffraction en MET sur les vue planes montre une anisotropie significative de la densité de dislocations et des structures allongées dans la direction [1-10]. Ces résultats peuvent être utilisés comme lignes directrices pour la croissance OMVPE de structures de haute qualité pour la fabrication de dispositifs.

 

Instabilités morphologiques : Perspectives

L’étude du développement des instabilités morphologiques en hétéroépitaxie s’avère être un sujet de toute première importance. D’une part, pour la majorité des applications, on cherche à maintenir la croissance dans un mode bidimensionnel et à minimiser ces instabilités. D’autre part, la fabrication de dispositifs à points quantiques à l’aide de structures auto-organisées demande un contrôle très précis de la formation de ces instabilités lors de la croissance.

L’étude détaillée des instabilités morphologiques induites par les contraintes est un travail complexe qui fait appel à des notions diverses de physique, de science des matériaux et de chimie. De très nombreux articles sont actuellement publiés sur ce sujet mais quelques années seront encore nécessaires avant d’obtenir une compréhension telle des phénomènes impliqués qu’elle permette un bon contrôle de la morphologie lors de la croissance. Le modèle de Tersoff rend bien compte de la situation ‘sans croissance’ sur les surfaces sans marches (modèle de continuum). D’autre part, il faut souligner les travaux expérimentaux de Jesson, Pennycook, Baribeau et Houghton. Ils ont utilisé la microscopie électronique à contraste-Z pour imager directement l’évolution de la surface de SiGe/Si(001) en insérant périodiquement de très minces couches de Ge comme marqueurs lors de la croissance. Ces travaux permettent de suivre l’évolution morphologique de la surface lors de la croissance de la couche de SiGe.

Nos travaux sur les hétérostructures à contraintes compensées indiquent clairement que les mécanismes dominants de la relaxation des contraintes dépendent non seulement de l’énergie élastique totale emmagasinée dans la multicouche mais aussi de la grandeur des contraintes pour une énergie donnée. Il serait donc souhaitable de tenter de modifier le modèle classique de la germination développé par Bangert pour tenir compte de ces effets d’une manière explicite. Il serait également intéressant d’explorer davantage la cinétique de la formation des instabilités morphologiques. Par exemple, le point d’origine des instabilités morphologiques reste à identifier : la fabrication de structures inversées (i.e. en commençant la croissance par la couche d’InAsP au lieu de celle de GaInP) pourra aider à élucider l’effet du signe de la contrainte sur le développement des instabilités. De plus, les structures utilisées pour les dispositifs ne demanderont pas nécessairement des couches d’égale épaisseur et il y aurait donc lieu d’étudier la stabilité des structures à contraintes compensées pour d’autres combinaisons de contraintes et d’épaisseurs. Dans le même ordre d’idée et comme nous l’avons déjà mentionné, certaines structures de 20 périodes se sont avérées métastables alors que des structures équivalentes de 50 périodes ont relaxé à la 14ième période. Étant donné que les structures plus épaisses demeurent plus longtemps dans le réacteur à la température de croissance, il est difficile de déterminer s’il s’agit simplement d’un effet de recuit ou si l’augmentation de l’énergie élastique de contrainte lors de la croissance a permis de dépasser un seuil pour la relaxation de la structure métastable. Nous effectuons actuellement des expériences de recuit pour clarifier la relaxation des multicouches métastables.

La compréhension de l’origine des instabilités morphologiques permettra éventuellement un meilleur contrôle des procédés industriels de croissance ce qui laisse entrevoir de nouvelles familles de dispositifs microélectroniques et, surtout, optoélectroniques. Le problème est intéressant tant du point de vue fondamental qu’appliqué mais il faudra énormément d'efforts théoriques et expérimentaux pour en faire le tour.

 


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Modifié le 2006-08-28