Épitaxie par jets moléculaires

La technique d'épitaxie des semi-conducteurs III-V disponible à l'INL est l'épi- taxie par jets moléculaires (EJM ou MBE pour Molecular Beam Epitaxy en anglais). L'épitaxie par jets moléculaires a été développée dans les années 1970 [Cho 1975]. Cette technique permet la croissance de couches minces monocristallines sur un substrat monocristallin à l'intérieur d'une chambre placée sous ultra-vide (1x10−9

à 5x10−11 _{torr). Les éléments des matériaux à épitaxier sont, soit sublimés (source}

solide), soit évaporés (source liquide) à partir de cellules à eusion chauées par un lament. Les ux moléculaires ou atomiques ainsi obtenus sont directionnels et arrivent sur le substrat qui est porté à une température adéquate pour la croissance des matériaux désirés (Figure 2.6).

Figure 2.6  Schéma de principe d'un réacteur MBE pour l'épitaxie de semi- conducteurs III-V.

Dans le cas des matériaux III-V, les ux des matériaux V sont moléculaires (As2,

As4 ou P2) alors que les ux des matériaux III sont atomiques. La température de

croissance (température du substrat) doit être inférieure à la température d'évapora- tion congruente Tec du composé III-V à faire croître. Cette température est dénie comme étant la température maximum pour laquelle les évaporations de l'élément III et de l'élément V sont encore égales (et relativement faibles puisque le coecient d'incorporation, souvent appelé coecient de collage, de l'élément III est considéré comme étant égal à 1 en dessous de Tec). Tec peut être dénie dans des conditions

de Knudsen (à l'équilibre) ou dans des conditions de Langmuir (évaporation libre). Au-delà de Tec, l'élément III et l'élément V vont s'évaporer, et ce d'autant plus que

la température augmentera, avec cependant une évaporation plus élevée de l'élément V, conduisant ainsi à la formation de gouttes d'élément III.

La température de croissance devra donc être inférieure à la Tec (dans les condi-

tions de Langmuir) des composés III-V considérés qui sont données comme étant : voisine de 900 ◦_{C pour AlAs [Shchukin 2004] proche de 630} ◦_{C pour GaAs [Foxon}

1973, Heyn 2015, Spirina 2018], dans la gamme 360-410 ◦_{C pour InAs [Shchukin}

2004, Kanjanachuchai 2013], voisine de 365◦_{C pour l'InP [Shchukin 2004]. La crois-}

sance est ainsi plus dicile au-dessus de Tec, bien que possible, dans une certaine

mesure, car réalisée sous ux d'éléments V, ce qui permet d'augmenter  articiel- lement  cette valeur de Tec. Par exemple, la croissance de l'InP est généralement

réalisée sous un ux de P2 à des températures comprises entre 470◦C et 520 ◦C.

Les éléments de type V sont généralement en excès par rapport aux éléments de type III et ne sont donc incorporés que partiellement an d'assurer la st÷chiométrie de l'alliage III-V épitaxié. Les dopages de type n et p des matériaux épitaxiés sont réalisés, respectivement, par incorporation de silicium et de béryllium durant la croissance.

La gestion des ux est réalisée par un système de caches individuels pour chaque cellule, ainsi qu'un cache général entre les cellules et le substrat, ce qui permet une transition rapide d'un alliage à un autre et une interruption rapide de la croissance. Comme exposé précédemment, la vitesse de croissance est régie par le ux d'éléments III et est généralement dans la fourchette 0,1-1 monocouche (MC) de l'alliage III-V par seconde, ce qui représente environ 0,1 à 1 µm/h. Ces deux aspects de la technique MBE permettent aussi un très bon contrôle des épaisseurs des couches épitaxiées.

La température du substrat est contrôlée par un four situé sous le porte échan- tillon (molyblock). Cette température est régulée à l'aide d'un thermocouple et/ou d'un pyromètre et d'un système dit de band edge qui permet de connaitre la tempé- rature du substrat en mesurant le gap du matériau (InP ou GaAs dans notre cas). Finalement le réacteur sous ultra-vide permet le suivi in-situ de la croissance grâce à la technique de diraction RHEED (Reection High Energy Electron Diraction) qui consiste en la diraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante sur le substrat.

Pour caractériser l'impact du super-réseau (future couche sacricielle) sur les couches actives, une structure test a été réalisée comme schématisé sur la Figure 2.7. Les substrats d'InP semi-isolants sont tout d'abord désoxydés in-situ dans le réacteur d'épitaxie en les chauant sous un ux de phosphore (P2) jusqu'à l'ap- parition de la reconstruction (2x4) à environ 500 ◦_{C et ils sont maintenus à cette}

température pendant quelques minutes. Ensuite la structure est crûe entre 470 ◦_C

et 480 ◦_{C qui est la température optimale pour la croissance de l'InP. La structure}

est composée d'une couche tampon d'InP d'environ 150 nm qui permet d'obtenir une surface de très bonne qualité pour la suite de l'épitaxie. Ensuite, le super-réseau est crû entre 2 couches d'InAlAs LM de 40 nm. Lorsque la température de crois-

sance du super-réseau est diérente de 470◦_{C, la température est abaissée en rampe}

pendant la croissance de la première couche d'InAlAs LM puis remontée en rampe pendant l'épitaxie de la première couche d'InP. An de pouvoir réaliser les mesures de photoluminescence une couche de 20 nm d'InGaAs est ensuite crûe entre deux couches d'InP de 50 nm.

Figure 2.7  Schéma de la structure test utilisée pour l'étude et l'optimisation des conditions de croissance du super-réseau et évolution de la température durant la croissance lorsque le super-réseau est crû à plus basse température.

La diraction RHEED permet de détecter le passage d'une croissance 2D à une croissance 3D ou bien un changement de paramètre de maille à la surface. Notons que ni un passage à une croissance 3D, ni un changement de paramètre de maille n'a été observé ou mesuré lors de la croissance des diérentes structures testées.

La structure est ensuite caractérisée par 4 méthodes :  la microscopie à force atomique (AFM)

 la photoluminescence (PL)

 la microscopie par transmission électronique (TEM)