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Laboratoire de Physique de la Matière Condensée

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PHYSICO-CHIMIE DES SURFACES DE SEMICONDUCTEURS III-V

Personnes impliquées :

Daniel Paget

Collaborations extérieures :

V. L. Berkovits (Saint Petersbourg, Russie)
O. E. Tereshchenko (Novosibirsk, Russie)
P. Chiaradia (Rome, Italie)

Méthodologie

Nous avons utilise principalement des techniques optiques : La Réflectivité Anisotrope Spectroscopique permet mesures simples et spectroscopiques des transitions optiques de surface, qui servent de sonde sensible à la structure de la surface propre, et à la chimie de l'interaction de cette surface avec des atomes étrangers. La spectroscopie de photoréflectance permet de mesurer la barrière de surface. Ces techniques ont été couplées avec des techniques plus classiques d'étude de surfaces (spectroscopie Auger, spectroscopie de photoémission sur synchrotron, diffraction de rayons X sur synchrotron). Cette méthode a été appliquée à divers systèmes:

Préparation de surfaces reconstruites de semi-conducteurs III-V

Nous avons utilisé une méthode, élaborée par l’Institut de physique des semi-conducteurs de l’Université de Novosibirsk, qui consiste à traiter la surface en absence d’oxygène par un mélange d'acide chlorhydrique et d'isopropanol avant l’introduction sous ultra-vide. Ce traîtement simple, suivi d'un recuit sous ultra-vide permet de préparer des surfaces de bonne qualité GaAs, InAs et InP avec les différentes reconstructions. Il a été aussi montré que l'interaction de césium avec le GaAs(001) permet de désorber l'arsenic de surface, et donc d'obtenir la surface riche en gallium à une température sensiblement plus basse que dans les études antérieures, et donc avec un nombre de défauts de surface plus faible.

Passivation de surfaces de GaAs(001)

Nous avions identifié les mécanismes pour la passivation par le soufre. L'effort principal est maintenant dirigé vers les techniques douces de nitridation qui produisent les surfaces chimiquement et électroniquement passivées de GaAs qui sont stables pendant des mois aux conditions ambiantes. Ceci peut être particulièrement important pour des applications où l'état de la surface affecte fortement les propriétés électriques d'un dispositif de semi-conducteur. Un exemple d'intérêt courant est l'effet tunnel entre une pointe semi-conductrice et une surface métallique où les changements de surface par des réactions chimiques au bout de la pointe peuvent mener à de grandes fluctuations de courant tunnel (voir notre projet sur l'effet tunnel polarisé de spin).

[Image: Na on GaAs(001) phase diagram] Diagramme de phase de sodium adsorbé sur GaAs(001).

Interaction de la surface propre de GaAs avec diférents éléments électro-négatifs (oxygène) et électro-positifs (alcalins)

Dans le cas de InAs à 140K, la RAS nous a permis d’observer pour la première fois un effet très marqué de la stœchiométrie de surface sur le mécanisme d'adsopriton de l'oxygène : sur la surface riche en In, l’adsorption se fait par chimisorption. En revanche, sur la surface riche en As, on n’observe qu’une faible variation du signal, ce qui montre que les molécules d’oxygène se physisorbent.

Nous avons aussi étudié en détail l'adsorption d’alcalins sur GaAs(001) en fonction de la température, et les proriétés électroniques des couches ultra-minces d'alcalins adsorbées sur GaAs(001) en fonction de la température. En raison de l'absence de diffusion d'alcalins sur GaAs(001) à basse température (90K), le dépôt crée un système désordonné, qui est un système modèle de percolation quantique à deux dimensions. La réflectivité anisotrope spectroscopique, et la spectroscopie de photoréflectance permettent d’évaluer respectivement l’ordre et la métallicité de ce système. La figure ci-dessous résume les résultats expérimentaux dans le cas du sodium. Cette figure montre aussi le domaine d’existence de la zone (en mauve) où coexistent  sur la surface des parties  isolantes et métalliques, ainsi qu’une zone (en verte) où les propriétés dépendent de l’histoire de la préparation. Métallicité et degré d’ordre sont liés, puisque la température à laquelle se produit cette destruction est précisément celle de la transition désordre/ordre. Il est à noter que la phase désordonnée présente à basse température est métastable, puisqu'elle est détruite par cyclage à température ambiante.

Publications significatives :