La Microscopie Electronique à Balayage (MEB) utilise les interactions entre un faisceau électronique et les atomes de la surface de l’échantillon. Ces interactions génèrent des électrons secondaires, des électrons rétrodiffusés, ainsi que des photons X. La surface imagée peut varier du cm² à quelques centaines de nm², avec une résolution allant jusqu’au nm. L’imagerie peut être réalisée selon différents angles d’inclinaison de l’échantillon.
Cette technique nous permet ainsi d’obtenir des informations sur le relief, la morphologie et la rugosité des boîtes quantiques1 et les films minces2 épitaxés au laboratoire. La composition chimique3 des matériaux peut également être évaluée.

1) Image topographique de boîtes quantiques de GaN

Ces nanostructures de GaN sur une couche d’Al0.75Ga0.25N (0001) sont formées selon un mode de croissance dit « Stranski-Krastanov ». Elles permettent de confiner les porteurs (électrons et trous) selon les 3 directions de l’espace, ce confinement 3D leur conférant l’appellation de « boîtes quantiques ». Au CRHEA, les boîtes quantiques sont notamment utilisées pour la fabrication d’émetteurs ultra-violet (UV), en particulier pour la réalisation de LEDs UV.

Image de MEB de boîte quantique
Figure 1 : Image topographique montrant la dispersion en forme et la densité de boites réalisées sur la surface de l’échantillon. (Epitaxie sous jets moléculaires ©J. Brault - NanoGaNUV)
 

2) Image en section de puits quantiques de ZnO

L’oxyde de Zinc (ZnO), matériau semiconducteur à large bande interdite, est l'un des plus adaptés pour la fabrication de lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Le Magnésium (Mg) permet quant à lui d’obtenir un alliage de plus grand gap. Ainsi, avec une barrière de ZnMgO et un puit de ZnO, on augmente les recombinaisons radiatives par confinement des porteurs et on améliore le rendement.

Au CRHEA nous élaborons des microcavités photoniques à base de miroirs de Bragg ZnO/ZnMgO (image de gauche) et contenant une série de puits quantiques ZnO/ZnMgO comme zone active (image de droite).

L’imagerie MEB permet ici de mesurer l’épaisseur des différentes couches dont le contrôle est crucial pour la réalisation des lasers.

Photo de microcavités photoniques Photo de microcavités photoniques
Figure 2 : Image en contraste chimique, sur la section de l’échantillon, permettant de mesurer l’épaisseur des couches des différents matériaux. (Epitaxie sous jets moléculaires @J. Zúñiga-Pérez - Plug and Bose)
 

3) Microanalyse EDX d’une couche d’AlGaN

Les matériaux (Al, Ga) N présentent un grand intérêt pour les dispositifs optoélectroniques, en particulier pour les diodes émettant de la lumière ultraviolette (LED UV). Cet alliage est un bon candidat pour l’émission UV car il est possible d’accorder la bande interdite de 3,4 eV (GaN) à 6,0 eV (AlN) en ajustant la composition de l’Al.
Ci-dessous : la détermination par microanalyse EDX de la composition en Al et Ga d’une couche d’AlGaN sur saphir, obtenue par épitaxie par jet moléculaire. Une comparaison de la concentration en différents points de l’échantillon permet d’évaluer l’uniformité de la couche.

Graphiques : spectre X et compositions mesurées de Ga, Al et N
Figure 3 : a) Spectre X qualitatif montrant les différents pics des raies d’émission caractéristiques des éléments N, Ga et Al.
b) Compositions mesurées (%) en Ga (vert), Al (rouge) et N (jaune), en différents points de l’échantillon, à une tension de 5keV (1,4 nA de courant de faisceau) à un grossissement x1000 (temps d’acquisition 30sec) 10ev x 512canaux (Epitaxie sous jets moléculaires ©J. Brault)

Les appareils utilisés sont décrits dans la page caractérisation du CRHEA.

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