Points quantiques d'indium uniformes formés par refroidissement en deux étapes sur surfaces InGaN : nouvelle approche MOCVD

Résumé

Une nouvelle technique de dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD) a été développée pour faire croître des points quantiques d'indium (In QDs) directement sur la surface d'une couche épitaxiale InGaN. En appliquant un protocole de refroidissement en deux étapes, les In QDs émergent avec une taille hautement uniforme. Une analyse détaillée révèle que les points se forment par la réaction entre la couche de surface riche en indium et le gaz hydrogène pendant l'étape de refroidissement à basse température. La densité des points suit de près les caractéristiques de la couche de surface d'indium, offrant une sonde directe de cette région de surface autrement insaisissable.

Introduction

Le nitrure d'indium-gallium (InGaN) est devenu la pierre angulaire des diodes électroluminescentes (DEL) et diodes laser (DL) à haut rendement grâce à son absorption élevée, sa large accordabilité spectrale et sa dureté aux radiations [1-5]. Cependant, la fabrication d'InGaN de haute qualité reste un défi. Le désaccord de maille entre InN et GaN produit un gap de miscibilité en phase solide [6,7], tandis que la pression de vapeur plus élevée d'InN comparé à GaN supprime l'incorporation d'indium [8]. De plus, les enthalpies de formation différentes entraînent une ségrégation de surface d'indium prononcée pendant la croissance [9]. Lors du dépôt de couche InGaN, une couche de surface riche en indium se forme inévitablement à cause de l'effet de tirage, ce qui peut contaminer les structures quantiques multiples (MQW) subséquentes [10]. Surmonter ces obstacles est essentiel pour repousser les performances de l'optoélectronique basée sur InGaN. En optimisant les paramètres de croissance pour une seule couche InGaN, nous avons observé qu'un régime de refroidissement en deux étapes, plutôt que le refroidissement conventionnel en une étape, produisait systématiquement des In QDs de taille uniforme en surface. Cette observation a motivé une investigation systématique du mécanisme sous-jacent et de ses implications pour la caractérisation de la couche de surface.

Expérience

Les échantillons ont été cultivés sur saphir plan c en utilisant un réacteur MOCVD AIXTRON 6 × 2 à douche close-couplée sous atmosphère d'azote. Le triméthylgallium (TMGa), le triméthylindium (TMIn) et l'ammoniac (NH₃) ont servi de précurseurs Ga, In et N, respectivement. Des couches InGaN simples (<60 nm d'épaisseur, <15 % In) ont été déposées sur un tampon GaN non intentionnellement dopé de 2 µm, lui-même reposant sur une couche germe GaN de 25 nm (Fig. 1). L'hydrogène (H₂) a été utilisé comme gaz porteur pendant la croissance GaN pour améliorer la qualité cristalline, tandis que l'azote (N₂) a été utilisé pour la couche InGaN pour prévenir la corrosion de l'indium [11,12]. Le refroidissement conventionnel implique une chute de température directe à température ambiante en N₂ (« refroidissement en une étape »). Notre protocole novateur de « refroidissement en deux étapes » réduit d'abord la température à 400 °C en N₂, suivie d'une chute finale à température ambiante en H₂. La caractérisation structurale et morphologique a employé la diffraction des rayons X haute résolution (DRX), la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectrométrie à dispersion d'énergie (EDS). Le schéma de la structure de l'échantillon est montré Fig. 1.

Résultats et Discussion

Les images AFM révèlent une morphologie de surface distincte pour les échantillons refroidis avec le protocole en deux étapes comparé à la méthode en une étape (Fig. 2a,b). Bien que les deux affichent la croissance 2D caractéristique en flux d'étapes de l'InGaN et les îlots 3D associés aux dislocations à vis, la surface refroidie en deux étapes présente également de nombreux points quantiques de taille uniforme (moyenne 100 × 100 nm, ~20 nm de haut, densité ~1,6 × 10⁸ cm⁻²). La variable clé est l'utilisation de H₂ pendant l'étape de basse température ; ainsi la formation des points est liée à l'interaction de l'hydrogène avec la couche de surface d'indium. Pour isoler l'effet du gaz de refroidissement, nous avons appliqué le même refroidissement en deux étapes à des couches GaN cultivées dans des conditions identiques. L'AFM ne montre pas de points sur GaN (Fig. 3a), confirmant que le phénomène est spécifique à l'InGaN. Lorsque la teneur en In est réduite à 1 %, la densité de points chute fortement (Fig. 3b), indiquant une corrélation directe avec la concentration de surface d'indium. Les balayages DRX distinguent davantage la composition des points. Les échantillons refroidis en deux étapes affichent un pic additionnel à 2θ = 32,8°, absent dans les échantillons en une étape. Ce pic s'aligne avec la diffraction connue des gouttelettes d'indium [16,17], confirmant que les points sont riches en indium. La MEB et la cartographie EDS (Fig. 5) corroborent que les points sont enrichis en indium tandis que le Ga et N environnants restent uniformément distribués. Une observation intrigante est que le recuit de la surface InGaN à 800 °C pendant 60 s élimine la couche riche en indium. Le refroidissement en deux étapes subséquent ne produit pas de points (Fig. 6), établissant que les points proviennent de la couche de surface riche en indium plutôt que du réseau InGaN massif. Nous proposons que l'hydrogène agit comme agent corrosif à basse température (<400 °C), convertissant le nitrure d'indium de surface en indium métallique et ammoniac (3 H₂ + 2 InN → 2 In + 2 NH₃). Contrairement à la croissance à haute température où l'indium libéré diffuse, la faible énergie thermique empêche la désorption, permettant aux atomes d'indium de coalescer en gouttelettes. Des expériences supplémentaires variant la teneur en In (7,65-9,6 %) et l'épaisseur de couche (~13 nm vs 41 nm) démontrent que la densité de points augmente avec les deux paramètres (Fig. 7). Cette tendance reflète les prédictions théoriques que la concentration de surface d'indium augmente avec la composition et l'épaisseur de l'InGaN massif [21], renforçant l'hypothèse d'origine de surface.

Conclusion

Nous avons démontré une méthode reproductible pour fabriquer des points quantiques d'indium de taille uniforme sur surfaces InGaN via un schéma de refroidissement en deux étapes. Les points proviennent de la réaction entre la couche de surface riche en indium et le gaz hydrogène à des températures inférieures à 400 °C. Ce processus offre non seulement une nouvelle voie de fabrication de nanostructures mais fournit également une sonde directe, non destructive de la couche de surface riche en indium, insaisissable, qui impacte la performance des dispositifs subséquents.