Département de physique

Formation mechanisms of low-dimensional semiconductor nanostructures grown by OMCVD on nonplanar substrates

Biasiol, Giorgio ; Kapon, Elyahou (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1859.

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    Semiconductor quantum wires (QWRs) are promising structures for optoelectronics applications, since they can provide quantum confinement for charge carriers in two dimensions. The advantage that they offer over conventional quantum wells (QWs) is due to the sharper density of states characteristic of these structures, yielding narrower spectral lines and higher optical gain. However, to exhibit clear confinement characteristics, QWRs must meet stringent requirements in terms of size, uniformity and interfacial quality. Different methods have been explored for QWR fabrication. Techniques based on etching and regrowth suffer from defect incorporation into the lateral interfaces, since they are not formed in situ, and are limited in size by the lithographic features. On the other hand, growth of fractions of monolayers on vicinal substrates, although overcoming the above limitations, gives rise to size nonuniformities and graded interfaces. In this project, (In)GaAs/AlxGa1-xAs QWRs are obtained by organometallic chemical vapor deposition (OMCVD) growth of quantum wells on patterned, V-grooved substrates. In this way, the lithographically defined pattern serves as a seed for QWR formation. The self-ordering properties of OMCVD on nonplanar surfaces ensure the creation of a self-limiting profile at the bottom of the grooves, on which the wires are grown. This method overcomes the size limitations imposed by lithography, allows the in situ formation of interfaces and, thanks to the self-ordering mechanism, yields structures with high uniformity, whose characteristics are determined solely by the growth conditions. Although nonplanar growth has been employed for more than ten years for QWR fabrication, the understanding of the self-ordering mechanisms originating the profiles at the bottom of the grooves has been until now only phenomenological. The attainment of self-limiting profiles takes place via transients of the growth rates at the bottom of the groove. Current models of nonplanar growth can predict the formation, evolution or disappearance of facets at the 100nm-μm size. However, they cannot describe the transient behaviors at the nm scale that lead to self-limiting growth. This thesis project has been aimed at elucidating the physical mechanisms of this self-organized growth. A fundamental part of the project has been the creation of a wide experimental database to understand the dependence of the self-limiting profiles on the materials and growth conditions. The profiles at the bottom of the groove exhibit a faceted structure, consisting of a central (100) plane, surrounded by two {311}A ones. Cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) shows that the bottom facets become wider as the growth temperature increases and as the Al mole fraction x of AlxGa1-xAs layers decreases. It appears therefore that surface diffusion is a key element in determining self-limiting growth. TEM cross sections show also that the establishment of self-limiting profiles takes place via self-adjusting growth rates on these facets. In addition to this geometrical self-ordering, AlxGa1-xAs alloys exhibit also a compositional self-ordering at the bottom of the groove. Due to the higher mobility of Ga species, with respect to the Al ones, the facets at the bottom of the groove are Ga rich, with respect to the sidewall planes, giving rise to so-called vertical quantum wells (VQWs). To determine the composition of the VQWs, we have developed a technique employing cross-sectional atomic force microscopy (AFM) in air. This method is based on the dependence of the AlxGa1-xAs oxidation rates on the Al content x. Through a calibration on a reference sample, we were able to measure compositions with an accuracy of ±0.02. The enhanced Ga content of the VQWs follows classical models of segregation, and reaches a maximum of Δx ≅ 0.15 for x ≅ 0.55 at a growth temperature of 700°C. We also studied the three dimensional structure of the self-limiting surface profiles by top-surface AFM in air of the nonplanar samples after cool-down and removal from the OMCVD reactor. Each of the planes composing the groove presents a monolayer step structure that reflects directly the morphology of surfaces of the same orientation found in planar epitaxy. However, on the facets forming on corrugated substrates the step structure exhibits a higher degree of ordering, with respect to planar epitaxy. This is due to a modification of surface diffusion, when the trench width becomes comparable to or lower than the adatom surface diffusion length. In the last part of the project, we have developed a model ascribing the self-ordering phenomena observed above to local variations of the surface chemical potential μ. Since μ becomes lower as the concavity of the surface increases, it induces a curvature-dependent capillarity flux towards the bottom of the groove. In the absence of capillarity, if the growth rate is higher on the sidewall planes than on the bottom facets, the capillarity-enhanced growth rate at the bottom can balance exactly the sidewall growth rate, thus leading to self-limiting growth. The different behavior of nonplanar OMCVD (where self-ordering is usually observed at the bottom of the grooves) and molecular beam epitaxy (where self-ordering rather takes place at the top of the corrugations) can be explained by the different growth rate anisotropies of the two techniques. In a ternary alloy, the composition is locally different at the bottom of the groove, due to the different diffusion lengths of Ga and Al. The resulting entropy of mixing, which is lower than the one for a uniform composition, tends however to oppose this segregation, thus affecting the alloy self-limiting profiles. The predictions of the model have been successfully verified on our OMCVD-grown profiles. They can be used to design and optimize a variety of nanostructures, including VQWs, QWRs and QWR superlattices in the GaAs/A1GaAs system, and can be further extended to the strained InGaAs/AlGaAs system.
    Les fils quantiques de semi-conducteurs sont des structures intéressantes pour les applications optoélectroniques puisqu'elles peuvent fournir un confinement quantique à deux dimensions pour les porteurs de charge. L'avantage qu'offrent ces structures, par rapport aux puits quantiques conventionnels, est dû à leur densité d'états plus localisée, caractéristique de la réduction de dimensionnalité, qui conduit à des lignes spectrales plus étroites et à un gain optique plus élevé. Toutefois, pour montrer des caractéristiques nettes de confinement, les fils doivent satisfaire à des critères très exigeants en ce qui concerne leur dimension, la qualité de leurs interfaces et leur uniformité. Différentes méthodes ont été utilisées pour la fabrication de fils quantiques. Les techniques d'attaque chimique suivie d'une recroissance donnent lieu à l'incorporation de défauts dans les interfaces latérales, et sont limitées en taille par les caractéristiques de la lithographie. Quant à la croissance de fractions de monocouches sur surfaces vicinales, celle-ci est affectée par des problèmes d'uniformité et de définition d'interface. Dans ce projet, nous avons réalisé des fils quantiques de (In)GaAs/AlxGa1-xAs par déposition chimique en phase vapeur aux organométalliques (OMCVD) sur des substrats gravés en forme de V. Dans cette méthode, le réseau défini par lithographie est utilisé comme germe pour la formation des fils. Les propriétés d'auto-organisation de l'OMCVD assurent la création d'un profil auto-limité au fond des sillons, sur lequel sont déposés le fils. Cette technique s'affranchit des limitations de taille de la lithographie, permet la formation d'interfaces in situ et, grâce au mécanisme d'auto-organisation, fournit des structures de grande uniformité dont les caractéristiques sont déterminées uniquement par les conditions de croissance. Bien que la croissance sur substrats non planaires soit employée depuis plus que dix ans pour la fabrication de fils quantiques, la connaissance des mécanismes d'auto-organisation qui sont à l'origine des profils au fond des sillons demeure pour l'instant phénoménologique. Les profils auto-limités sont formés par l'intermédiaire de transitoires des vitesses de croissance au fond des sillons. Les modèles actuels de croissance non planaire peuvent prédire la formation, l'évolution ou la disparition de facettes à l'échelle de 100nm. Toutefois, ils ne peuvent pas décrire les phénomènes transitoires à l'échelle du nanomètre qui conduisent à la croissance auto-limitée. Ce projet de thèse a eu pour objectif la compréhension des mécanismes physiques de cette croissance auto-organisée. Une partie fondamentale du projet a été l'établissement d'une vaste base de données expérimentales afin de comprendre la dépendance des profils auto-limités des différents matériaux en fonction des conditions de croissance. Le fond des sillons est une structure à facettes, qui consiste en un plan central (100), entouré de deux facettes {311}A. Des images en section transverse au microscope électronique à transmission (TEM) montrent que les facettes au fond du sillon deviennent plus larges quand la température de croissance augmente et quand la composition en Al de l'AlxGa1-xAs diminue. Il semble donc que la diffusion en surface soit un élément essentiel de la croissance auto-organisée. Les sections TEM montrent aussi que les profils auto-limités sont atteints par auto-ajustement des vitesses de croissance sur ces facettes. En plus de cette auto-organisation géométrique, les alliages AlxGa1-xAs présentent aussi une auto-organisation chimique au fond des sillons. Grâce à la mobilité plus élevée du Ga, par rapport à l'AI, les facettes du fond sont riches en Ga, par rapport aux parois du sillon, et forment ce que l'on nomme des puits quantiques verticaux (VQWs). Afin de déterminer la composition des VQWs, nous avons développé une technique qui utilise la microscopie à force atomique (AFM) à l'air de section. Cette technique est basée sur la dépendance en x de la vitesse d'oxydation de l'AlxGa1-xAs. A l'aide d'un calibrage effectuée sur un échantillon de référence, nous pouvons mesurer des compositions avec une précision de ±0.02. L'enrichissement en Ga dans le VQW s'accorde avec les modèles classiques de ségrégation, et atteint un maximum Δx ≅ 0.15 pour x ≅ 0.55 pour une température de 700°C. Nous avons étudié par AFM en surface la structure tridimensionnelle des profils auto-limités des échantillons non-planaires. La morphologie de surface des facettes qui forment les sillons reproduit les structures à marches monoatomiques observées sur les substrats planaires de même orientation. Toutefois, sur les facettes qui se forment sur les substrats non planaires, la structure des marches est plus ordonnée, par rapport à l'épitaxie planaire. Ce fait est dû à la modification de la diffusion en surface, observée lorsque la largeur des facettes est du même ordre ou plus petite que la longueur de diffusion. Dans la dernière partie du projet, nous avons développé un modèle permettant de relier les phénomènes d'auto-organisation observés aux variations locales du potentiel chimique de surface μ. Comme μ décroît lorsque la concavité de la surface augmente, il provoque un flux de capillarité vers le fond, dépendant de la courbure locale de la surface. Si la vitesse de croissance, dans l'absence de capillarité, est plus élevée sur les parois du sillon que sur les facettes du fond, l'augmentation par capillarité de la vitesse de croissance au fond du sillon peut équilibrer exactement la vitesse de croissance sur les parois (croissance auto-limitée). Les comportements différents de l'OMCVD (ou l'auto-organisation est observée au fond) et de la croissance par jets moléculaires (ou l'auto-organisation arrive plutôt au sommet) peuvent alors être expliqués par les différentes anisotropies de vitesse de croissance entre les deux techniques. Dans une alliage ternaire, la composition au fond est localement affectée, à cause des différentes longueurs de diffusion de Ga et Al. Toutefois, l'entropie de mélange qui en résulte tend à s'opposer à cette ségrégation, et influence les profils auto-limités des alliages. Les prédictions du modèle ont été vérifiées sur nos profils crûs par OMCVD, et peuvent être utilisées pour projeter et optimiser de nombreuses nanostructures, comme VQWs, fils quantiques et super-réseaux de fils quantiques dans le système GaAs/AlGaAs, et mis a profit pour le système InGaAs/GaAs.