DOI: 10.1051/jp3:1994171
J. Phys. III France 4 (1994) 867-880

Etude des interdiffusions en phase solide dans le contact Er/GaAs

S. Députier^{1, 2}, A. Guivarc'h¹, J. Caulet¹, M. Minier¹ and R. Guérin<sup>2

1</sup>  FRANCE TELECOM, Centre National d'Etudes des Télécommunications (LAB), B.P. 40, 22301 Lannion Cedex, France
²  Laboratoire de Chimie du Solide et Inorganique Moléculaire, UA CNRS 1495, Université de Rennes I, Avenue du Général Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France

(Received 10 November 1993, revised 18 January 1994, accepted 25 January 1994)

Abstract
Solid state interdiffusions between a thin film of erbium deposited under vacuum conditions and (001) and (111) GaAs substrates were investigated in the temperature range 350-800  C. Complementary analysis methods (RBS, X-ray diffraction) allow us to point out, according to annealing temperatures, successives steps of the interaction corresponding to different mixtures of phases, essentially binaries. These steps are strongly depending on the GaAs substrate orientation, especially the final step of the interdiffusions. On (001) GaAs, only two steps have been observed : no visible interaction is noticed between erbium and GaAs before 600  C ; the interaction begins at 600  C, evolves slightly and leads at 800  C to the nominal composition " Er ₁₀GaAs " which corresponds to a mixture of several phases Er ₅Ga ₃, Er and ErAs. On (111) GaAs, several steps of interaction have been found ; first of all, erbium reacts with the substrate at 400  C (Er ₅Ga ₃ + Er mixture), then the reaction is continuing at 600  C (Er ₅Ga ₃ + Er + ErAs mixture) before reaching at 800  C the nominal composition " Er _1,5GaAs ", which is in fact a mixture of the three binaries ErAs + ErGa ₂ + Er ₃Ga ₅. It can be noticed that the 800  C annealing is not sufficient to reach the mixture of the phases ErAs + Ga which, according to the ternary phase diagram, should be the final stage of the interaction Er/GaAs. The analysis of the Er/GaAs interdiffusions shows that ErAs is the " key " compound around which the interaction progresses. This compound appears as an ideal candidate to realize epitaxial ErAs/GaAs heterostructures.

Résumé
Les interdiffusions en phase solide entre une couche mince d'erbium déposée dans des conditions d'ultra-vide et des substrats de GaAs orientés (001) et (111) ont été étudiées après des traitements thermiques d'une heure entre 350 et 800  C. L'utilisation de techniques complémentaires d'analyse (RBS, diffraction X) a permis de mettre en évidence, en fonction de la température de recuit, plusieurs étapes successives d'interaction correspondant à des mélanges de phases, essentiellement des binaires. Elles dépendent fortement de l'orientation du substrat de GaAs, en particulier l'étape finale des interactions. Sur GaAs (001), seules deux étapes ont été observées : avant 600  C, il n'y a pas d'interaction visible de l'erbium avec le substrat ; celle-ci ne s'amorce qu'à 600  C pour n'évoluer ensuite que faiblement et conduire, à 800  C, à une composition nominale " Er ₁₀GaAs ", mélange des phases Er ₅Ga ₃ + Er + ErAs. Sur GaAs (111), plusieurs étapes d'interaction sont observées : l'erbium réagit avec le substrat dès 400  C (mélange des phases Er ₅Ga ₃ + Er), puis l'interaction se poursuit à 600  C (mélange Er ₅Ga ₃ + Er + ErAs) avant d'atteindre à 800  C la composition nominale " Er _1,5GaAs ", constituée d'un mélange de grains des trois binaires ErAs + ErGa ₂ + Er ₃Ga ₅. Il faut noter que le recuit à 800  C n'est pas suffisant pour atteindre le mélange de phases Ga + ErAs qui, selon le diagramme ternaire, devrait être le stade ultime de l'interaction Er/GaAs. L'analyse des interdiffusions Er/GaAs montre que ErAs est le composé " clé " autour duquel pivote l'interaction Er/GaAs. Ce composé apparaît comme un candidat idéal pour la réalisation d'hétérostructures épitaxiées ErAs/GaAs.

© Les Editions de Physique 1994