III. Réalisation de structures périodiques épaisses GaAs par
III.2 La croissance épaisse de substrats germes par HVPE
III.2.2 Croissances épaisses expérimentales
Homogénéité de croissance
La première série d’épaississement est effectuée sur des substrats germes définis par des largeurs de réseaux LC=31,9 µm (Figure III-34). Les paramètres HVPE sont ceux déterminés précédemment. Les durées de croissance sont établies à 20 heures. Les épaisseurs de conservation des orientations et l’homogénéité de croissance sont vérifiées par des prélèvements d’échantillons à différents endroits de la plaque (coupes AA, BB, CC).
²
Figure III-34 : (a) Vue de dessus d’un substrat-germe de diamètre deux pouces, défini par des réseaux de largeur 31,9 µm. Ces derniers sont regroupés dans des « blocs» de différentes longueurs. Les points blancs présents à la surface du substrat-germe sont des défauts de sous-gravure dans la couche reportée (00-1) (chapitre II). (b) Vue de dessus du même substrat-germe après 20 heures de croissance HVPE. Les « blocs » de réseaux se distinguent du reste du substrat par une légère rugosité de surface.
La Figure III-35 est un panorama de la vue en tranche de la coupe AA sur 50 mm de long. La révélation chimique permet de mesurer une épaisseur de conservation de 440 µm, homogène sur l’intégralité de l’échantillon. Il apparaît toutefois des zones pour lesquelles les orientations cristallographiques ne sont pas maintenues sur la totalité de l’épaisseur épitaxiée. Le cumul de ces zones représentent approximativement 3 % de la longueur totale de l’échantillon. La Figure III-36 (b) est un exemple type de ces zones. Remarquons tout d’abord que les pertes d’orientation se limitent à quelques périodes de retournement (4 dans notre cas) : la propagation de ces zones selon l’axe X est bloquée par les extensions latérales des domaines l’encadrant. Leur distance de propagation selon l’axe Y est plus délicate à déterminer. Une solution consisterait à réaliser des coupes successives de l’échantillon selon ce même axe afin de reconstruire une image formée à partir des clichés des tranches de chaque coupe.
(a) (b) Défauts de sous-gravure « blocs » de réseaux [-110] C C A A B B 0 mm 50 mm Y X
Cette méthode de caractérisation est toutefois destructive et n’a donc pas, pour l’instant, été mise en œuvre.
Figure III-35: Vue en tranche sur 50 mm de long de la coupe AA (Figure III-34). L’épaisseur de conservation est de 440 µm et est homogène sur l’intégralité de l’échantillon. Les zones de « pertes d’orientation » (cercles pointillés) sont à orientation unique (001) et représentent 3 % de la longueur totale.
Les raisons exactes de ces pertes d’orientation restent encore à déterminer. On pourrait penser que des pollutions présentes à la surface des substrats germes annihilent la conservation des orientations dès le début de la croissance. Or le phénomène d’annihilation n’apparaît qu’après plusieurs heures de croissance : la qualité des substrats germes ne peut donc être incriminée. On pense alors à des instabilités de croissance localisées : les pertes d’orientations seraient dues à des variations locales des cinétiques d’adsorption et de diffusion lors de l’épaississement (Figure III-6).
3 3 ,3 m m 5 0 m m S u b st ra t g er m e 4 4 0 µ m 1 6 ,6 m m 3 3 ,3 m m « p er te s lo ca le s d ’o ri en ta ti o n s » S u b st ra t g er m e Z o n e 2 4 4 0 µ m 0 m m 1 6 ,6 m m Z o n e 1 S u b st ra t g er m e 4 4 0 µ m
Figure III-36 : Grossissement des zone 1 (a) et 2 (b) de la Figure III-34 (b). Les zones de perte d’orientation se restreignent à quelques périodes de retournement.
Deux autres échantillons de 10,5 mm de long sont prélevés du substrat. Les Figure III-37 et Figure III-38 sont respectivement les vues en tranche des coupes BB et CC (Figure III-34). La différence d’épaisseur de conservation mesurée sur les deux coupes (85 µm) s’explique par la configuration du porte-échantillon utilisé dans le bâti de croissance. Les dimensions de ce dernier ne permettent pas en effet de disposer d’un support d’échantillon horizontal et rotatif. La non-rotation du substrat suffit à créer un phénomène de déplétion des flux de croissance entre les parties situées dans le bas (coupe BB) et le haut (coupe CC) du substrat. Même si ce phénomène ne modifie pas le scénario d’épaississement, il peut toutefois être l’une des causes de l’augmentation des zones de pertes d’orientation. On remarque en effet que ces zones sont plus importantes sur les réseaux situés dans le haut du substrat (Figure III-38). Cette hypothèse ne pourra être cependant confirmée qu’en effectuant des croissances épaisses sur un porte-substrat horizontal et rotatif, censé améliorer la distribution des flux à la surface des substrats.
Figure III-37 : Vue en tranche sur 10,5 mm de long de la coupe BB. L’épaisseur de conservation est de 485 µ m, homogène sur tout l’échantillon. Le phénomène de pertes d’orientations est à l’identique de celui présent sur la Figure III-35. Les zones à orientation unique (001) représentent 1 % de la longueur totale de l’échantillon.
Substrat germe LC
63,8 µm Substrat germe
LC
63,8 µm Perte locale d’orientations
(a) 440 µm Substrat germe 200 µm 485 µm 0 mm 10,5 mm X Y
Figure III-38: Vue en tranche sur 10,5 mm de long de la coupe CC. L’épaisseur de conservation est de 400 µ m, homogène sur tout l’échantillon. Les zones de pertes d’orientations représentent 3 % de la longueur totale de l’échantillon.
Ces premières caractérisations d’épaississement démontrent la faisabilité de la fabrication des structures épaisses GaAs à QAP de longueur uniquement limitée par le diamètre du substrat germe épaissi. Il suffira au préalable de définir les longueurs souhaitées sur le masque de photolithographie. Des croissances équivalentes ont été obtenues sur des substrats germes définis par des largeurs de réseaux de plus petite dimension (19,3 µm). Quid de la compatibilité des paramètres de croissance sur de plus petites largeurs de réseaux ?
Compatibilité des paramètre de croissance
Nous montrons que les paramètres de croissance déterminés dans cette étude sont suffisamment flexibles pour concevoir des épaississements sur des largeurs de réseaux de l’ordre du micromètre [116]. La Figure III-39 en est un exemple : une épaisseur de conservation d’orientation de 13 µm est obtenue sur des réseaux de 1,3 µm de large. Les dimensions de ces échantillons ont permis, pour cet exemple précis, de réaliser des structures guidées GaAs à QAP pour des applications liées au domaine des télécommunications [117].
400 µm
200 µm Substrat germe
Figure III-39 : Images (microscope optique) d’une tranche d’échantillon révélée chimiquement et provenant d’un substrat germe épaissi par HVPE. Les conditions de croissance sont les mêmes que celles utilisées précédemment. La durée de croissance est de 30 minutes. Les largeurs des réseaux du substrat germe sont de 1,3 µ m. Les deux marques horizontales traversant la couche HVPE sont des traits de clivage.
Conclusion
Nous avons pu démontrer dans ce chapitre la faisabilité de l’épaississement de substrats germes GaAs à QAP.
Une comparaison des différentes méthodes de croissance épitaxiale de GaAs a d’abord permis d’identifier la technique HVPE comme la plus adaptée pour les épaississements de substrats germes : les fortes vitesses de croissance disponibles (≈50 µm/h), la qualité cristallographique du matériau épitaxié et le contrôle des morphologies du cristal par l’ajustement des paramètres de croissance sont les atouts majeurs du procédé HVPE.
L’objectif du chapitre a donc été de décrire la détermination des paramètres de croissance HVPE préservant les orientations initiales des substrats germes sur des épaisseurs typiques de 500 µm. Une étude préliminaire a permis d’identifier les paramètres expérimentaux influant sur les morphologies de croissance du GaAs. Les résultats ont pu alors montrer que l’épaississement de substrats germes pouvait se résumer à un conflit morphologique. Par la suite, la gestion de ce conflit a été optimisée en développant des modélisations de scenarii d’épaississement selon les variations des paramètres expérimentaux HVPE. Des épaississements sur plus de 440 µm de substrats germes de diamètre deux pouces, définis par des périodes de retournement de plus de 30 µm ont donc été réalisés avec succès. Nous avons également montré que ces conditions expérimentales permettaient la conservation de périodes de retournement de 1,3 µm sur 13 µm d’épaisseur. Le contrôle de l’homogénéité de croissance sur substrats de diamètre deux pouces a permis de fabriquer des structures GaAs à QAP de plusieurs centimètres de long.
Perspectives
La question est maintenant d'évaluer la faisabilité de la croissance épaisse de substrats germes sur des épaisseurs de l’ordre du millimètre, et ce en des temps de procédés totaux viables. Cela suppose de travailler à une vitesse de croissance des faces {001} voisine de 50 µm/h. Il s'agira alors de déterminer des paramètres expérimentaux HVPE de température et de composition de la phase vapeur qui permettent d'augmenter la vitesse de croissance des faces {001}, tout en contrôlant les conflits morphologiques et en conservant les rapports cycliques initiaux des substrats germes. L'étude pourra être menée de manière théorique en effectuant des simulations de croissances épaisses à partir des modèles développés dans ce manuscrit. D'un point de vue expérimental, on procèdera à des épitaxies
sélectives de mésas GaAs en condition de plus forte sursaturation de phase vapeur. On déterminera l'anisotropie des vitesses de croissance à fort rapport V/III et/ou très faible pression partielle d'HCl additionnel. Il sera certainement nécessaire de modifier la géométrie de distribution des flux III et V dans l'enceinte de réaction afin de limiter les dépôts parasitaires. Une solution est d'apporter le flux V en douche au dessus du substrat, pour un mélange des éléments III et V au plus près de la zone de dépôt.
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