Nous rappelons dans le tableau 1-1 les principales caractéristiques des différentes sources de plasma de haute densité utilisées aujourd'hui. Nous avons également reporté les caractéristiques du plasma RF capacitif, en comparaison. Nous pouvons remarquer que toutes les sources de plasma de haute densité (ECR, DECR, ICP et Hélicon) permettent d'augmenter
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au moins d'un ordre de grandeur la densité électronique tout en réduisant la pression de travail d'un facteur 30. Le degré d'ionisation dans ces plasmas est donc beaucoup plus élevé que dans les plasmas RF capacitifs (deux à trois ordres de grandeur de différence). Notons toutefois que la plage de pressions accessibles est plus faible pour les réacteurs ECR et DECR (0,02 - 0,5 Pa) que pour les réacteurs ICP et Hélicon (0,02 - 10 Pa). Ces derniers sont donc plus souples d'emploi.
Par ailleurs, dans tous ces plasmas de haute densité, l'énergie des ions est plus faible et le courant ionique est plus important que dans le plasma RF capacitif. Enfin, nous pouvons remarquer que les plasmas DECR et ICP présentent l'avantage d'un découplage plus efficace entre la production des ions de leur utilisation, qui est dû à l'abscence de champ magnétique statique dans la région de dépôt.
Tableau 1-1 Caractéristiques générales des plasmas d’argon produits par différentes
sources (sauf autrement mentionné, les analyses du plasma ont lieu dans la région source).
RF capacitif ICP Hélicon ECR DECR
Pression (Pa) ≈10 0,13 0,27 0,27 0,3 Densité électronique (cm-3) 1010 3×1011 3×1011 3×1011 1011* Degré d’ionisation ≈10-5 ≈10-2 ≈5×10-3 ≈5×10-3 ≈10-3 * Vp-Vf (eV) 50 - 100 20 15 - 30 20 - 30 15 * Densité de courant ionique (mA/cm2) 0,5 _ 9 8 2 * Puissance totale consommée (W) 100 1500 1500 1450 1500 Découplage entre la production d’ions et leur utilisation - + + + + + + Références a b a, c c, d e
* Caractéristiques mesurées dans la région de dépôt (au centre du réacteur) et non pas dans la région source.
a : LIEBERMAN b : HOPWOOD93
c : TEPERMEISTER d : GORBATKIN
e : notre étude.
3 La passivation des dispositifs optoélectroniques à base d’InP
La réalisation de structures MIS (Métal-Isolant-Semiconducteur) de bonnes qualités sur les matériaux semiconducteurs III-V n'est pas aisée et cela reflète la difficulté que l'on a à trouver un bon passivant pour ces matériaux. De nos jours encore, la structure MIS de référence lorsque l'on pense "qualité d'interface", est la structure métal/silice/silicium (chapitre 2, § 4). Dans ce cas, on utilise comme passivant le dioxyde de silicium (SiO2) et la densité d'états d'interface (Dit) obtenue est inférieure à 1010 eV-1 cm-2. Dans le cas des semiconducteurs III-V, la complexité et l'instabilité chimique des sous-oxydes naturels font de ces derniers des candidats difficilement contrôlables, tout comme les isolants à base d'oxygène (principalement SiO2 et Al2O3). Il faut cependant remarquer, dans le cas du phosphure d'indium, que de bons résultats ont été obtenus (Dit = 1011 eV-1 cm-2), soit par oxydation anodique suivie d'un dépôt de nitrure de silicium [DEVNATH], soit par dépôt de silice DECR [PLAIS], soit par dépôt de silice ECR après oxydation en plasma d’oxygène
[BESLAND]. Hollinger et al. ont d'ailleurs montré que l'interface In(PO3)3/InP conduisait à une densité d'états d'interface faible [HOLLINGER].
Malheureusement, ces résultats ne sont pas transposables sur les autres matériaux III-V ni sur les matériaux ternaires et quaternaires en accord de maille avec l'InP (InGaAs, InGaAsP, AlInAs, ...). Dans la plupart des cas, le problème majeur pour obtenir une bonne interface est lié à l'instabilité de l'oxyde d'arsenic As2O3. Un autre problème important doit être pris en considération lorsque l'on veut passiver un semiconducteur III-V : la plus grande volatilité de l'élément V par rapport à l'élément III peut conduire à un défaut de stoechiométrie en surface, lui même source de détérioration de la densité d'états d'interface.
Pour résoudre ces problèmes, Boher et al. proposent une définition de la passivation "parfaite" [BOHER]. Selon eux, elle doit remplir les quatre conditions suivantes :
• la création de défauts de stoechiométrie en surface doit être évitée lors de la formation de l'isolant,
• le diélectrique doit être lié le mieux possible au semiconducteur,
• le diélectrique doit posséder les qualités suivantes : une faible densité de pièges, une large bande interdite et une bonne stabilité chimique,
• le procédé utilisé doit être bien contrôlé et reproductible.
Cette définition peut sembler plus empirique que théorique. En réalité, elle reflète bien la situation actuelle : il n'existe pas de passivation idéale pour les semiconducteurs III-V. Reprenons la définition de Boher et al. pour en préciser les implications, point par point. Pour satisfaire le premier point, il est nécessaire de minimiser la température de dépôt de l'isolant ainsi que le bombardement par des ions trop énergétiques. La solution appropriée à ce premier point est l'utilisation de méthodes douces de dépôt à basse température (voir
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figure 1-2), telles que le dépôt assisté par plasmas de haute densité (HDP) ou encore le dépôt par photolyse (UVCVD). Le deuxième point se passe de commentaires ; il est évident que plus l'isolant aura de liaisons chimiques avec le semiconducteur moins il y aura de défauts à l'interface (chapitre 2, § 4). Parmi les diélectriques classiques (SiO2, Al2O3, Ta2O5 et Si3N4), le seul ayant une bonne stabilité chimique sur les matériaux contenant de l'arsenic est le nitrure de silicium, pour les raisons que nous évoquions précédemment (instabilité de l'oxyde d'arsenic). Cependant, il faut s'assurer que la surface du semiconducteur est totalement désoxydée avant le dépôt, et une préparation spécifique de la surface est souvent nécessaire. Enfin, le quatrième point souligne l'intérêt que l'on peut avoir de réaliser une préparation in-
situ plutôt que ex-situ de la surface du semiconducteur avant le dépôt d'isolant.
Cette rapide approche du problème nous a permis de montrer l'intérêt d'utiliser le nitrure de silicium comme film mince diélectrique sur les matériaux semiconducteurs de la filière InP (c'est-à-dire l'InP et les matériaux ternaires et quaternaires en accord de maille avec celui-ci :InGaAs, InGaAsP, AlInAs, ...), ainsi que la nécessité d'une étape de désoxydation complète de la surface de ces matériaux avant dépôt, à la température la plus basse possible et dans un milieu le moins agressif possible. Avant de nous intéresser au cas de la passivation du transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) à base d'InP et d'InGaAs, nous allons passer en revue les différentes méthodes de préparation de surface de ces deux matériaux.