4.3 Fabrication des motifs TLM droits sur GaAs
4.3.2 Contact avec InAs
Pour les contacts avec une couche d’InAs, nous sommes partis d’une structure identique à celle présentée figure (4.7) et nous avons epitaxié 30 nm d’InAs sur le GaAs dopé. Dans cette étude le GaAs et l’InAs ont un dopage de type n. Le protocole de réalisation des contacts est décrit figure (4.11). Celui-ci est très proche de celui présentée figure (4.7). La seule différence entre ces deux protocoles est qu’une gravure de l’InAs doit être effectuée avant la 2nd
photolitographie afin de définir la forme finale des contacts. Celle-ci est réalisée par voie humide en utilisant un mélange d’acide phosphorique (H3PO4):1, eau oxygénée (H2O2):1 et de
l’eau (H2O):20.
Figure 4. 11 Protocole expérimentale pour la réalisation de contacts sur GaAs avec une couche de contact en InAs.
Une fois le métal déposé, nous procédons à l’étape de gravure. Afin de confirmer que celle-ci s’est bien déroulée, des analyses EDX entre les contacts métalliques sont effectuées (figure 4.12). On s’aperçoit qu’avant la gravure que le spectre EDX possède des pics d’énergie correspondant au silicium (1,742 keV), au gallium (1,107 keV), à l’arsenic (1,742 keV) et à l’indium (3,286 keV) tandis qu’après cette étape, une disparition du pic correspondant à l’indium et une augmentation de l’intensité des pics de gallium et d’arsenic est constatée. On en déduit grâce à ces résultats que l’InAs entre les contacts métalliques a été totalement consommé.
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Figure 4. 12 Comparaison spectre EDX avant et après gravure humide InAs.
Après la gravure l’InAs, nous nous sommes intéressés à l’effet de cette étape sur la morphologie de surface et la composition chimique du GaAs. La figure (4.13) présente des images AFM de l’état de surface du GaAs avant et après la gravure. On observe ainsi une dégradation de la morphologie de surface du matériau. En effet, avant la gravure la surface de GaAs présente des marches atomiques visibles avec une rugosité de surface de 0,6 nm. Après cette étape, ces marches atomiques ne sont plus visibles par AFM et la rugosité est dorénavant de 1,5 nm.
Figure 4. 13 Images AFM 5x5 µm² de la surface du GaAs (a) avant gravure (b) après gravure de l’InAs.
Par la suite, des analyses par spectrométrie de photoélectrons X (XPS) ont été réalisées afin d’étudier la composition chimique du matériau en surface avant et après gravure. Cette technique de caractérisation permet de connaitre la nature chimique des liaisons à la surface du matériau jusqu’à une profondeur de 5 nm. La caractérisation par XPS consiste à irradier la
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surface d’un matériau avec des photons d’une énergie hυ = 1486,6 eV. Cet apport en énergie permet aux électrons qui gravitent autour du noyau de rompre l’attraction qui les maintient sur leurs orbitales. Grâce à cela, ils quittent l’atome avec une énergie cinétique EC puis parcourent
une distance qui est fonction de cette énergie au sein du matériau. Si EC est suffisamment
importante, certains électrons atteignent la surface, sont extraits du matériau et passent dans le vide. Ils sont ensuite collectés et comptés en fonction de leurs énergies cinétiques (figure 4.14). La relation (4.7) permet de déterminer l’énergie de liaison El des électrons et
d’identifier les atomes dont ils proviennent.
El= hν − Ec − Wf (4.7)
Avec Wf : le travail de sortie du matériau
Figure 4. 14 Schéma du principe par analyse XPS.
Afin d’étudier l’évolution de la composition chimique, nous avons étudié l’évolution du pic d’arsenic et de gallium. Pour suivre l’évolution de l’arsenic, nous avons analysé le pic As3d tandis que pour le gallium nous avons analysé le pic Ga2p3/2 car ils sont les plus intenses. Les
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Figure 4. 15 Caractérisation XPS des liaisons arsenic et gallium avant et après gravure.
Tous les éléments analysés présentent une composante oxydée. Pour l’arsenic, on distingue clairement la présence de deux oxydes à savoir l’As2O3 et l’As2O5 positionnés respectivement
à 44,5 eV et 45,8 eV. Les pics As3d3/2 et As3d5/2 correspondent aux liaisons métalliques (As-
As ou As-Ga). Pour le gallium, nous observons un pic correspondant à la présence d’oxyde entre 1118 eV et 1119 eV. Cependant, en raison de la proximité des énergies de liaisons du Ga2O et du Ga2O3, nous avons utilisé une seule composante (Ga2p3/2 GaOx) pour représenter
l’oxyde car il est difficile de les différencier. Le pic à 1117 eV (Ga2p3/2 GaAs) correspond aux
liaisons métalliques (Ga-As ou Ga-Ga).
En comparant les signaux obtenus pour les liaisons de l’arsenic et les liaisons du gallium entre la référence et l’échantillon gravé, on constate que l’oxyde d’arsenic de la référence majoritairement composé d’As2O5 est devenu minoritaire après la gravure au profit de celui
en As2O3. En ce qui concerne l’étude du signal pour le gallium, on ne constate pas de
changement notable avant et après gravure. Ce résultat laisse penser que l’arsenic est gravé préférentiellement par rapport au gallium. Afin de valider cette hypothèse nous avons quantifié les différentes liaisons de l’arsenic et du gallium (oxydes et métalliques) des deux échantillons. Le pourcentage total des différentes liaisons pour les deux GaAs est visible figure (4.16)
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Figure 4. 16 Quantification totale par XPS des diverses liaisons Ga et As avant et après gravure.
La quantification montre une chute du pourcentage des liaisons oxydées (As2O3 etAs2O5) et
non oxydées (As3d3/2) pour l’arsenic. On constate après gravure que le pourcentage lié à
l’oxyde d’arsenic As2O3 est plus important que celui en As2O5. Ce résultat est cohérent avec
l’analyse des spectres d’arsenic en figure (4.15) et met en évidence un changement de composition chimique pour l’oxyde d’arsenic. Maintenant, si on s’intéresse au signal du pic de gallium, on constate que le pourcentage de liaisons est similaire avant et après gravure. Ces résultats mettent en avant que la surface du GaAs est plus riche en gallium qu’en arsenic après gravure.