Résumé
La croissance de couches de semiconducteurs III-V sur substrat silicium (100) s’accompagne généralement de la formation de domaines d’inversion. Une des raisons de la formation de ces défauts étendus dans la couche épitaxiée est la présence de marches monoatomiques de hauteur aSi/4 à la surface du silicium. Jusqu’à récemment, la méthode pour limiter l’extension des parois d’inversion dans l’épaisseur de la couche était d’utiliser des substrats (100) vicinaux très désorientés (4° off). Nous avons montré récemment qu’en contrôlant précisément la direction de désorientation du substrat silicium, il était possible d’utiliser des substrats vicinaux moins désorientés (0.5 à 1° off autour d’une direction <110>) pour favoriser le développement d’un seul des deux variants et ainsi éliminer rapidement les parois d’inversion. En utilisant des substrats très peu désorientés, il même possible de commencer à obtenir une propagation quasi verticale des parois d’inversion [1].Maintenant cette inversion de polarité cristalline au sein des couches de semiconducteur III-V épitaxiées sur substrat silicium ouvre de nouvelles voies pour l’optique non-linéaire (projet ANR Pianist). Le phosphure de gallium à orientation structurée (OP-GaP), alternant périodiquement les deux variants liés à l’inversion de polarité, est une nouvelle plateforme pour la photonique non-linéaire intégrée. Par ailleurs, des propriétés de transport sélectif observées au niveau des parois entre domaines de polarité cristalline opposés pourraient bénéficier aux dispositifs de conversion d’énergie solaire (projet PEPR Hydrogène décarboné « Nautilus »).Il est donc essentiel d’avoir une connaissance la plus complète que possible de l’organisation globale des parois d’inversion, leur propagation dans la couche épitaxiée, la structure atomique de ces défauts bi-dimensionnels. Pour ce faire nous avons réalisé des études par microscopie électronique en transmission sur des vue plane après retrait sélectif du substrat silicium. La Figure 1 montre l’observation en STEM-HAADF et en cartographie élémentaire EDX d’une couche de GaP de 100nm d’épaisseur. Il est possible de décrire la structure atomique des parois d’inversion pour les segments verticaux comme montré Figure 2.Nous présenterons les résultats des études réalisées dans des couches épitaxiées de GaP, InGaP, GaAs et InGaAs, toutes obtenues par croissance par Jets Moléculaires (EJM). D’une façon très surprenante, la structure des parois d’inversion apparait très différente selon la nature des couches épitaxiées.Références : [1] Gilbert, et al. Advanced Optical Materials 11 (2023) 2203050 [2] Cornet, et al. Phys Rev Mat 4 (2020) 053401