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Cubique ou hexagonal? Comment contrôler la phase cristalline des nanofils de GaAs à la demande

Des nanofils de GaAs auto-catalysés présentant un segment de wurtzite pure de plus d’un micron de long ont été épitaxiés sur des substrats de Si(111), grâce à un contrôle en temps réel des paramètres de croissance et à un suivi de l’évolution de la phase cristalline.

Les nanofils de GaAs ont la particularité de présenter deux structures cristallines distinctes : la phase Zinc-Blende (ZB) et la phase Wurtzite (WZ), correspondant respectivement à une structure cubique et hexagonale. Ces dernières années, le contrôle de ces structures est apparu comme un enjeu de taille pour la photonique intégrée sur silicium. La formation des différentes phases cristallines étant dictée par l’angle de mouillage β que forme le catalyseur de Ga liquide au sommet des nanofils, il nous a été possible de maintenir cet angle dans un régime menant à la formation de WZ, typiquement pour 100° < β < 125°^[1]. Ici, la structure cristalline des nanofils a été contrôlée grâce à un ajustement précis des flux de Ga et d’As envoyés sur le substrat, et a été suivi en temps réel à l’aide d’un système de diffraction des électrons de haute énergie en incidence rasante (RHEED). Le segment de wurtzite étendu ainsi formé a été confirmé et caractérisé par microscopie électronique en transmission à balayage (STEM). La croissance d’un segment étendu de wurtzite pure (1 – 2 µm) dans des nanofils de GaAs auto-catalysés a ainsi été effectuée sur des substrats de Si(111) par un procédé de VLS-MBE^[2].La réussite du contrôle de la phase cristalline des nanofils de GaAs auto-catalysés marque un point de départ pour la croissance de Ge hexagonal à gap direct.

[1] T. Dursap, M. Vettori, A. Danescu, C. Botella, P. Regreny, G. Patriarche, M. Gendry, J. Penuelas, Nanoscale Adv. 2020, 2, 2127.

[2] T. Dursap, M. Vettori, C. Botella, P. Regreny, N. Blanchard, M. Gendry, N. Chauvin, M. Bugnet, A. Danescu, J. Penuelas, Nanotechnology 2021, 32, 155602.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR BEEP (ANR-18-CE05-0017-01).

Figure 1: Images STEM-HAADF haute-résolution et profils d’intensité (a) d’un segment ZB et (b) d’un segment WZ. Les barres d’échelle font 1 nm. Les structures ZB et WZ ont été observées suivant les axes de zone [11 ̅0] et [112 ̅0], respectivement.