Contamination et reprise d’épitaxie

Même si l’on ne peut éliminer toute trace d’oxygène et de carbone de l’interface de reprise d’épitaxie comme on l’a vu au chapitre 2, il est essentiel de minimiser autant que possible leur niveau. Il est en effet nécessaire d’éviter la formation de défauts dans le cristal pendant la croissance de couches après la reprise d’épitaxie. Ces défauts perturbent la morphologie des surfaces (protubérance ou trous locaux) et peuvent agir comme pièges de recombinaison pour les porteurs injectés. La surface de GaAs est connue pour être particulièrement réactive aux contaminants, beaucoup plus sensible que le silicium ou le phosphure d’indium par exemple.

En épitaxie par jets moléculaires de GaAs, une surface polluée peut conduire au développement de défauts étendus qu’on appelle les défauts ovales. Ce type de défauts a été très étudié dans les années 1970-80 car ils étaient fréquemment observés en densité importante dans les couches homoépitaxiées. Ces défauts sont de deux types : ce peut être une simple protubérance allongée dans la direction [-110], sous laquelle le cristal semble intact, ou un défaut présentant une morphologie plus complexe, qui indique la présence locale de régions polycristallines (macles).

Ce dernier type de défauts traduit la présence d’une contamination plus importante. La longueur de ces défauts est de l’ordre de l’épaisseur épitaxiée. Ces défauts étaient attribués à la présence de contaminants, carbone, Ga2O3, et/ou As2O3 situés à l'interface d'épitaxie [Bafleur 1982A], [Chai 1985], [Weng 1987] avec le substrat. La qualité des surfaces des substrats, leur nettoyage, et également les charges d’éléments, III et V, n’avaient pas encore été optimisés comme ils le sont de nos jours. Les défauts, type dislocations, présents dans les substrats sont également des lieux préférentiels pour l’absorption d’impuretés. Leur densité (que l’on mesurait en comptant les figures d’attaque après attaque chimique, d’où la dénomination : etch pit density (EPD)) était à cette époque de l’ordre de 1000 à 5000/cm2. Elle est maintenant de l’ordre de 50-100/cm2 et 500–1000 /cm2 dans les substrats respectivement dopés n et non dopés. Aussi, aujourd’hui, ces défauts sont plus rares sur les plaquettes après homoépitaxie. Leur présence en densité notable atteste de la présence d’un contaminant et le problème, quand il se produit, est pris en considération avec sérieux.

En reprise d’épitaxie, on rencontre le même problème si le nettoyage de la surface n’est pas suffisant. Nous avons observé ce problème dans nos premiers échantillons quand le nettoyage par plasma H n’avait pas été complètement optimisé. Une surface avec une grande densité de défauts ovales est présentée sur l’image AFM (Figure 75). La présence de ces défauts nous a indiqué que la propreté (à l’échelle atomique) de la surface de notre échantillon après sa préparation (plasmas O2 : SF6 ex-situ + H in-situ) n’était pas suffisante. L’image en microscopie en transmission (b), prise par A. Ponchet (CEMES), correspond à une zone de cet échantillon où ces défauts étaient en grande densité. On observe deux zones où le contraste sur l’image « en aile d’oiseau » indique une perturbation locale du cristal, mais pas de désorientation particulière liée à un maclage de l’échantillon. Un léger renflement en

surface est présent au-dessus de ces défauts. Une image du même type avait été obtenue par Christophe Vieu, lors d’une étude ancienne sur la reprise d’épitaxie. La présence d’un marqueur d’AlAs avait également permis de repérer une déformation de la surface, en aile d’oiseau. Sur cette image, nous avions pu repérer clairement que ce défaut prenait naissance à l’interface de reprise. L’interprétation avancée par l’équipe est que les défauts ovales résultent d’un retard à la nucléation du GaAs sur les zones les plus polluées d’une surface, constituées d’agrégats de contaminants. L’allongement des défauts dans la direction [-110] résulte de l’anisotropie des vitesses de croissance dans les deux directions <110>. Ce retard à la croissance conduirait au développement de défauts bordés de facettes qui, en se développant, déborderaient peu à peu sur la zone localement contaminée.

(a)

(b)

(c)

Figure 75 : Images AFM de défauts ovales orientés suivant [-110] après une préparation non optimisée observée par microscopie à force atomique (a) et électronique en transmission (A. Ponchet, CEMES) (b). Image ancienne obtenue par C. Vieu en MET obtenue sur une reprise sur une surface contaminée.

Si la perturbation est suffisamment petite, la coalescence des facettes permet de recouvrir la zone interfaciale contaminée, et conduit l’épitaxie, par le jeu de la compétition des facettes et du plan de surface, au développement du léger renflement de la surface inhérent à ces défauts. Ce renflement est très faible, puisqu’il correspond à la présence sur la surface d’une zone d’une légère vicinalité. Cette interprétation est en accord avec les analyses MET menés sur nos échantillons contaminés. En effet, le recouvrement est facilité en présence d’un marqueur d’AlAs. On observe des formes contrastées en aile d’oiseau sur les images obtenues en MET par C. Vieu (les lignes blanches correspondent au marqueur AlAs). L’absorption d’AlAs sur la zone contaminée y parait directe. Sur l’image obtenue sur notre échantillon par A. Ponchet, le contraste est plus complexe. Le marqueur était un puits de GaInAs/GaAs. A l’observation attentive des défauts observés, il semble dans ce cas que le recouvrement du défaut soit intervenu avant la croissance du ternaire. Les formes en « aile d’oiseau » sur les images de MET sont des projections sur le plan d’observation d’une tranche découpée dans un défaut ovale lors de la préparation de l’échantillon. L’image obtenue par C. Vieu correspond à une tranche de l’échantillon qui contient le cœur du défaut, puisqu’on peut observer sa présence jusqu’à l’interface. Il semble que le cœur du défaut soit aussi présent dans l’échantillon observé par A. Ponchet, puisqu’il arrive aussi à l’interface de reprise (ligne grisée).

En revanche, si la zone interfaciale contaminée est plus grande, la perturbation provoquera le maclage du cristal de GaAs en croissance. En effet, la formation de macles {111} peut s’opérer très facilement par un désordre dans l’empilement atomique par rotation des liaisons de 180° à l’incorporation (une seule liaison est présente à la surface {111},

Chapitre 4 : Epitaxie sur surface structurée

perpendiculaire à la surface). Des zones maclées, de différentes orientations, sont présentes dans les défauts les plus gros. [Bafleur 1982B] Ces gros défauts ne sont pas observés sur l’échantillon pollué en plus grande densité que sur les échantillons épitaxiés sur substrats prêts à l’emploi (500(substrats n) à 1000 (substrats n.i.d.) /cm2 environ). La reprise d’épitaxie sur surface insuffisamment décontaminée conduit seulement à l’augmentation des défauts ovales de premier type.

La densité de défauts ovales dans les échantillons que nous préparons a pu être minimisée grâce à l’optimisation que nous avons menée sur la préparation des surfaces contaminées. L’amélioration importante a été en particulier obtenue par l’enregistrement RHEED de la désoxydation sous plasma hydrogène. Il semble en effet que la désoxydation que nous réalisions avant la mise en œuvre de ce contrôle n’était pas systématiquement menée à son terme. En effet, comme nous l’avons expliqué dans le chapitre 3, la durée du plasma varie suivant les échantillons et nous ne sommes pas parvenus à rendre reproductible ce paramètre. D’où l’importance du contrôle objectif de la complétion de la désoxydation que nous offre le suivi RHEED. Nous contrôlons régulièrement la qualité de nos reprises par les microscopies optique et à force atomique. Maintenant, la densité de défauts ovales dans les échantillons que nous préparons est de l’ordre de 2 à 5.103/cm2, encore légèrement plus élevée par rapport à l’EPD affichée pour les substrats que nous utilisons (103/cm2), mais acceptable.