Application de la microscopie à sonde locale à l'étude de la surface de GaN(0001) - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2000

Local probe microscopy study of GaN(0001) surface

Application de la microscopie à sonde locale à l'étude de la surface de GaN(0001)

Résumé

This work deals with the gallium nitride (GaN) (0001) surface with gallium polarity. Indeed this particular orientation is used for the recent technological applications of this wide band-gap semiconductor. The experimental study of this surface is mainly based on the use of two local probe microscopies : atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM). The GaN material is mainly grown by molecular beam epitaxy (MBE) on silicon (111) substrate. The atomic resolution images of surfaces of "reference" semiconductors such as Si, SiC and GaAs are presented in chapter 1 in order to illustrate the potentiality of the experimental system. The results concerning GaN(0001) surface are presented according to the imaging scale: above the micrometer in chapter 2, in the sub-micronic range in chapter 3, and at the nanometer scale in chapter 4. The ex situ AFM study of the surface morphology give evidence of a kinetic roughening phenomena. The use of vicinal surfaces is proposed to suppress the development of such roughening. On the other hand, the in situ STM imaging gives detailed informations on surface steps, on dislocation terminations at the surface, and finally on interaction between steps and dislocations. The atomic resolution is obtained for two reconstructions (2×2 and 4×4) corresponding to Ga stabilized surface. These reconstructions have also been recently observed by two other teams in different experimental conditions which are at the origin of a controversy. Eventually, we show that these two reconstructions are connected to the presence of arsenic at the surface.
Ce travail concerne la surface (0001) du nitrure de gallium (GaN) selon la polarité gallium. Cette orientation particulière est en effet celle utilisée pour les applications technologiques récentes de ce semi-conducteur à grande bande interdite. L’étude expérimentale de cette surface est principalement basée sur l’utilisation de deux types de microscopie à sondes locales : la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie à effet tunnel (STM). Le matériau GaN est obtenue par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) essentiellement sur substrat Si(111). L’approche expérimentale développée s’appuie en particulier sur le couplage sous ultra-vide d’un réacteur EJM et d’un microscope STM. Le potentiel de cet ensemble expérimental est illustré au chapitre 1 par l’obtention d’images en résolution atomique de surfaces de semi-conducteurs de référence tels que Si, SiC et GaAs. Les résultats expérimentaux concernant la surface GaN(0001) sont présentés selon l’échelle d’observation : au delà du micromètre au chapitre 2, dans la gamme sub-micronique au chapitre 3 et finalement dans celle du nanomètre au chapitre 4. L’étude par AFM ex situ de la morphologie de la surface a permis de mettre évidence un phénomène de rugosité cinétique. L’utilisation de surfaces vicinales est proposée pour éliminer l’apparition d’une telle rugosité (chapitre 2). L’observation in situ par STM apporte des informations détaillées sur les marches présentes à la surface mais aussi sur la terminaison des dislocations à la surface et finalement sur l’interaction entre dislocations et marches (chapitre 3). La résolution atomique est obtenue pour deux reconstructions (2×2 et 4×4) correspondant à une terminaison Ga de la surface. Ces reconstructions ont été également observées récemment par deux autres équipes dans des conditions expérimentales différentes et à l’origine d’une controverse. Nous montrons qu’en fait l’obtention de ces deux reconstructions est liée à la présence d’arsenic.
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  • HAL Id : tel-02527734 , version 1

Citer

Stephane Vezian. Application de la microscopie à sonde locale à l'étude de la surface de GaN(0001). Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Nice-Sophia Antipolis, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02527734⟩
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