Reconfiguration rapide de la taille de gouttelettes Ga issues de MBE par irradiation laser UV pulsée in-situ

Résumé

Une surface de gouttelettes de gallium (Ga) préparée par MBE sur substrat GaAs (001) est irradiée in-situ par un unique tir de laser UV pulsé. Il est démontré que le tir laser permet de réajuster aisément la taille des gouttelettes de Ga, obtenant une distribution de taille extrêmement large : largeur 16–230 nm, hauteur 1–42 nm. Grâce à l'inhomogénéité énergétique à travers le spot laser, la modification des gouttelettes en fonction de l'intensité d'irradiation (IRIT) peut être directement étudiée sur un même échantillon et les mécanismes corrélés sont clarifiés. Systématiquement, le redimensionnement laser peut être perçu comme suit : à faible niveau d'irradiation, le chauffage laser ne fait qu'expanser les gouttelettes, provoquant leur coalescence, donc la distribution de taille se décale uniquement vers les grandes tailles ; à haut niveau, l'irradiation cause non seulement l'expansion thermique mais aussi l'évaporation thermique des atomes de Ga, déplaçant la distribution vers les deux extrémités. Tous ces décalages de taille peuvent être fortement contrôlés en appliquant différentes IRIT, permettant une épitaxie par gouttelettes plus designable à l'avenir.

Introduction

Avec le développement croissant de la physique fondamentale et des applications pratiques, il est fortement demandé de réaliser divers dispositifs. Il a été largement démontré que diverses structures et dispositifs peuvent être construits en appliquant des nanoparticules métalliques. Représentant important, l'épitaxie par gouttelettes, basée sur des gouttelettes métalliques (nanoparticules), attire continuellement l'intérêt mondial depuis sa proposition par Koguchi et al. en 1991, car elle peut couvrir presque tous les types de nanostructures basses dimensionnelles : points quantiques, anneaux quantiques, fils quantiques. Récemment, des structures très particulières comme paires de points quantiques, molécules de points quantiques, double-anneaux et anneaux concentriques multiples ont été réalisées. Généralement, l'épitaxie par gouttelettes combine deux étapes : préformation de la gouttelette métallique et cristallisation subséquente. Le contrôle de la taille des gouttelettes lors de l'étape de formation est crucial car il détermine directement la taille finale de la structure quantique et définit le type de nanostructure visé. Par exemple, une commutation rapide entre points quantiques et anneaux quantiques peut être déclenchée en ajustant la taille des gouttelettes, et les anneaux concentriques multiples sont exclusivement construits sur des gouttelettes de Ga d'une taille considérable. La température est le facteur le plus essentiel pour ajuster la taille des gouttelettes : pour les agrandir, la température doit augmenter. Fuster et al. ont porté la température à 500 °C pour obtenir une énorme gouttelette de Ga (hauteur 45 nm, largeur 240 nm). Cependant, l'augmentation de température intensifie dramatiquement l'attaque des gouttelettes dans le substrat. Par ce nano-forage, les éléments des gouttelettes sont consommés avant la cristallisation et une structure parasite de nano-trou se développe sous la gouttelette, pouvant polluer la structure quantique cible. Wang et al. ont prouvé que les gouttelettes de Ga pouvaient totalement disparaître et être remplacées par des nano-trous volcaniques après recuit à 500 °C pendant 80 s sans apport d'arsenic (As). Élever la température peut détruire les gouttelettes, mais les faire grossir oblige à le faire : contradiction irréconciliable dans l'épitaxie par gouttelettes traditionnelle. D'où l'importance de trouver une technologie, indépendante de la température, pour modifier la taille des gouttelettes.

Dans ce travail, des gouttelettes de Ga (densité originale : 4,1 × 10¹⁰/cm², largeur : 37–65 nm, hauteur : 4–9 nm) ont été produites sur substrat GaAs (001) par MBE, puis immédiatement irradiées in-situ par un unique tir de laser UV pulsé (longueur d'onde 355 nm, durée d'impulsion 10 ns, énergie 35 mJ). Impressionnamment, le tir laser modifie bien la taille des gouttelettes et le principe de redimensionnement est présenté systématiquement. Après irradiation, hauteur et largeur s'élargissent à 1–42 nm et 16–230 nm respectivement, atteignant directement d'énormes gouttelettes (largeur 230 nm, hauteur 42 nm) à une température très basse de 180 °C. Une technologie de redimensionnement des gouttelettes alliant sécurité et efficacité est ainsi rapportée, apportant une grande liberté de contrôle de taille à l'épitaxie par gouttelettes actuelle, la rendant plus faisable et flexible.

Méthodes expérimentales

Les expériences ont été réalisées sur un système MBE spécialement conçu équipé d'un hublot laser pour introduire in-situ le faisceau laser pulsé dans la chambre. Le système ne comporte actuellement que trois cellules sources (In, Ga, As). La température de croissance est surveillée par un pyromètre calibré. La diffraction d'électrons à haute énergie par réflexion (RHEED) est incluse pour le monitoring. D'abord, un substrat GaAs (001) 2 pouces quart désoxydé est recouvert d'une couche tampon GaAs de 300 nm à 600 °C (pression partielle As₂ : 7,6 × 10⁻⁶ Torr). Ensuite, la vanne As est fermée et la température du substrat descendue à 400 °C temporairement pour capturer les atomes As en excès par le piège à azote liquide et éviter l'absorption d'As en surface. Quand la pression ambiante As tombe à ~1,2 × 10⁻⁹ Torr (proche de la meilleure pression avant croissance), la température est abaissée à 180 °C pour former les gouttelettes avec un taux de croissance Ga de 0,168 ML/s et une épaisseur totale de 4 ML. Aussitôt la croissance terminée, l'échantillon est irradié in-situ par un unique tir de laser Nd:YAG triplé en fréquence (355 nm, 10 ns, 35 mJ). Après irradiation, l'échantillon est immédiatement sorti pour analyse de morphologie par AFM en mode tapping. Comme le spot laser (6 mm de diamètre) est bien plus petit que le substrat 1/4 2 pouces, les régions non irradiée (NIR) et irradiée (IR) peuvent être comparées. Dans IR, du fait de la distribution gaussienne de l'intensité du spot, l'évolution morphologique des gouttelettes en fonction de l'IRIT est observable d'un coup. Cinq positions représentatives (IR1 à IR5, par IRIT croissante) ont été sélectionnées dans IR pour analyse, leurs positions exactes par rapport au spot laser sont indiquées dans le schéma de la Fig. 1. IR5 correspond au centre du spot (position 0), puis un balayage linéaire vers la droite par pas de 0,5 mm, avec image AFM à chaque position (IR4 à IR1). Enfin, on sort complètement du spot pour l'image AFM NIR (morphologie originale).

Résultats et Discussion

Les images AFM (Fig. 1a–f) et les histogrammes de distribution de largeur et hauteur (g–r) pour NIR et IR1–IR5 montrent l'évolution. Dans NIR (Fig. 1a), la densité originale atteint 4,1 × 10¹⁰/cm², largeur et hauteur suivent une distribution gaussienne avec modes dominants 45–55 nm et 4–8 nm. Tailles max/min : ~65 nm / ~9 nm et ~37 nm / ~4 nm. Dans IR1 (faible intensité), pas de changements distincts. Dans IR2 et IR3, la taille commence à être modifiée : gouttelettes agrandies apparaissent avec réduction de densité. Pour IR3, 55 % des gouttelettes dépassent l'ancienne largeur max (65 nm) et 37 % dépassent l'ancienne hauteur max (9 nm). La densité totale tombe à 1/3 de l'originale. Globalement, pour IR2 et IR3, la distribution se décale uniquement vers les grandes tailles. Pour IR4 et IR5, la distribution se décale vers les grandes tailles MAIS s'étend aussi vers les petites : densité continue de baisser, tailles max atteintes (IR5 : largeur 230 nm, hauteur 42 nm, près de 4× le max de NIR), et quelques petites gouttelettes sous le minimum original apparaissent (largeur 16 nm, hauteur 1 nm). L'évolution du redimensionnement laser en fonction de l'IRIT est complètement observée.

Pour interpréter, cinq zones partielles de NIR et IR1–IR4 sont agrandies (Fig. 2a–e). Le volume équivalent (EV) des gouttelettes a été calculé (profil approximé en calotte sphérique). La Fig. 2f montre l'EV normalisé (triangles) et la densité normalisée (carrés). L'évolution se divise en trois stades :

Stade 1 (NIR–IR1) : Gouttelettes originales très proches, entourage plat. Pour IR1 (très faible intensité), taille, densité, EV quasi inchangés, mais une structure de nano-anneau émerge autour des gouttelettes (flèches blanches Fig. 2b). Attribué à l'expansion thermique induite par laser. L'expansion n'est pas assez forte pour provoquer la coalescence ; en se relaxant, les gouttelettes laissent des traces d'expansion en forme d'anneau. À ce stade, l'IRIT est trop faible pour redimensionner.

Stade 2 (IR2–IR3) : Preuves expérimentales de coalescence (rectangle pointillé jaune Fig. 2c). Gouttelette marquée voisine d'un nano-trou, taille 70 nm × 12 nm, bien plus grande que NIR. Explication : coalescence de deux gouttelettes (Fig. 2c') : avec IRIT croissant, l'expansion s'intensifie, plus de chevauchement, puis fusion aléatoire laissant un nano-trou pré-foré. Pour IR3, coalescence de trois ou plus gouttelettes (Fig. 2d/d'), reflétant un effet plus fort. Les données statistiques (distribution, densité) s'expliquent par coalescence. L'EV reste au même niveau que NIR (Fig. 2f) malgré la chute de densité : le laser ne redimensionne que par expansion thermique SANS perte d'atomes de Ga.

Stade 3 (IR4–IR5) : L'EV chute brutalement. L'IR laser n'expanse pas seulement mais s'accompagne d'évaporation thermique d'atomes de Ga. Une fois l'IRIT dépassant un seuil, le laser pulse chauffe instantanément la gouttelette au-dessus du seuil d'évaporation du Ga. Le redimensionnement est co-gouverné par coalescence et évaporation. Fig. 2e' illustre l'interaction : si la coalescence ne compense pas la perte par évaporation, la taille diminue (gouttelettes miniatures Fig. 2e) ; sinon, elle augmente. De grosses gouttelettes peuvent se former par coalescence multi-gouttelettes sous certaine probabilité. Cette compétition explique bien l'élargissement de la distribution vers les DEUX côtés pour IR4–IR5.

Deux expériences additionnelles ont été menées pour valider : (1) Échantillon à 280 °C : densité NIR chûte à 5 × 10⁹/cm² (~1/8 de 180 °C), inter-distance amplifiée. Après irradiation, densité inchangée mais anneaux adjacents très marqués (flèches blanches Fig. 3c) : la coalescence est bien inhibée même avec forte expansion thermique, solidifiant l'explication. (2) Risque de nano-forage : nano-trous observés dans IR3 sont très peu profonds (sous-nanomètre, < 3 couches atomiques), effet forage strictement supprimé grâce à la basse température. Échantillon à 350 °C avec interruption de 2 min avant refroidissement rapide : forage sérieux détruisant les gouttelettes, certains remplacés par nano-trous de plusieurs nm de profondeur. À l'inverse, gouttelettes à 180 °C restent stables après 15 min d'interruption.

Conclusions

En conclusion, une recherche sur l'irradiation laser pulsée in-situ sur gouttelettes de Ga à 180 °C par MBE a démontré que le tir laser permet d'ajuster aisément et efficacement la distribution de taille. L'évolution morphologique en fonction de l'IRIT est étudiée et le mécanisme clarifié : bas niveau → décalage uniquement vers grandes tailles (coalescence par expansion thermique) ; haut niveau → décalage vers les deux côtés (compétition coalescence/évaporation thermique). Une technologie de redimensionnement in-situ par laser pulsé à très basse température (quasi suppression de l'attaque du substrat) est rapportée. Elle est compatible avec l'épitaxie par gouttelettes classique, sans pollution, oxydation ni dommage. En passant d'une irradiation mono-faisceau à une irradiation par interférence multi-faisceaux, une modification patternée de la taille des gouttelettes pour une épitaxie plus contrôlée sera réalisable à l'avenir.