Synthèse et caractérisation structurale d'épicouches hétérogènes semi-conductrices/ferromagnétiques : le cas d'agrégats de MnP encastrés dans une matrice de GaP

L'intégration de matériaux magnétiques dans des couches semi-conductrices permet d'envisager le développement de nouveaux dispositifs intégrés très performants. Dans ce contexte, les couches épitaxiales hétérogènes semi-conductrices/ferromagnétiques sont des matériaux très prometteurs. Ces couches sont constituées d'agrégats ferromagnétiques de tailles nanométriques encastrés dans une matrice d'un semi-conducteur III-V. Elles sont ferromagnétiques à la température de la pièce et possèdent plusieurs fonctionnalités magnétiques intéressantes (magnétorésistance géante, effets magnéto-optiques et des effets de polarisation des spins). Les études montrent que les fonctionnalités magnétiques dépendent fortement de la structure des agrégats, en particulier l'alliage, la taille, la densité, la distribution spatiale et la texture (i.e. distribution statistique de l'orientation cristalline des grains). Par conséquent, l'exploitation des fonctionnalités magnétiques des couches hétérogènes dans de futures applications nécessite une régulation des propriétés structurales des agrégats et une meilleure compréhension des mécanismes de croissance des agrégats. L'objectif général de la présente thèse est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes de croissance et de l'influence des paramètres de croissance sur les propriétés microstructurales des couches hétérogènes semi-conductrices/ferromagnétiques. Pour se faire, nous avons entrepris une étude détaillée des propriétés structurales de couches hétérogènes de GaP:MnP (agrégats de MnP encastrés dans une matrice épitaxiale de GaP) fabriquées par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE). Nous avons séparé notre travail en trois objectifs spécifiques : (1) réaliser la croissance de couches hétérogènes épitaxiales de GaP:MnP; (2) Établir l'influence des paramètres de croissance sur la microstructure des agrégats et de la matrice; (3) Obtenir une caractérisation détaillée de la texture des agrégats en fonction des paramètres de croissance. Nous avons réalisé des couches hétérogènes de GaP:MnP épitaxiales, sans défauts et cohérentes avec le substrat à des températures de croissance de 650 °C. Les agrégats sont majoritairement de la phase MnP, fortement texturés, distribués uniformément dans la couche, de taille de 15 à 50 nm et occupent 3 à 8 % du volume. Nos mesures montrent qu'une diminution ou une augmentation de la température de croissance modifie la microstructure de la matrice. Lorsque la température de croissance est augmentée à 700 °C, la couche devient très rugueuse et

Abstract

Integration of magnetic materials in thin film semiconductors is a promising way to develop new integrated electronic devices. In this context, heterogeneous epitaxial magnetic semiconductors are interesting candidates. This class of materials corresponds to transition metal-based ferromagnetic nanoclusters embedded in III-V semiconductor layers. Those layers are ferromagnetic at room-temperature and exhibit interesting magnetic functionalities (giant magneto-resistance, large magneto-optic and spin polarization effects). The magnetic properties of the layer are strongly dependent on the structural properties of the clusters, in particular the alloy, the dimension, the density, the spatial distribution and the texture (i.e. the statistical distribution of the crystallographic orientations). In order, to exploit the magnetic functionalities at their full potential, we must control the structural properties of the nanoclusters and understand their growth mechanism. The general objective of this work is to bring a better understanding of the growth mechanism and the influence of the growth parameters on the microstructure of the heterogeneous magnetic semiconductors layers. Toward this end, we have undertaken a detailed study on the structural characteristics of the GaP:MnP ferromagnetic semiconductor thin films grown by metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). We have focused our effort on three specific objectives: (1) to demonstrate the growth of epitaxial heterogeneous GaP:MnP layers; (2) to establish the influence of the growth parameters on the microstructure of the matrix and nanoclusters; (3) to obtain a detailed structural characterisation of the texture of the clusters as a function of the growth parameters. We have successfully grown epitaxial heterogeneous GaP:MnP layers without structural defects on GaP substrates at 650 °C. The layers contain a uniform ensemble of 15–50 nm quasi-spherical MnP nanoclusters within a dislocation-free GaP epilayer matrix that is fully coherent with the substrate. The clusters occupy 3 to 8% of the total volume of the layer, controlled by the flow of the Mn precursor in the vapor phase. We showed that the growth temperature strongly affect the microstructure of the GaP matrix. At 700 °C the surface roughness increases and we have observed 100 nm wide cavities in the GaP matrix. The layers grown at 600 °C contain a large density of pile-up defects along GaP{111} facets. To explain these defects we propose the following mechanism: (1) the nucleation of clusters on the GaP growth surface change the