Epitaxie sélective du GaN: profils d'épaisseur et simulation par le modèle VPDVPD

Le laboratoire 3-5Lab d'Alcatel-Thalès basé à Marcoussis a procédé à la mesure des épaisseurs entre les masques par interférométrie en lumière blanche et à la simulation des profils épitaxiés sélectivement avec le modèle VPD. Les mesures d'épaisseurs sont prises au centre des masques. Une vue en trois dimensions de la couche de GaN épitaxiée sélectivement obtenue par microscopie à force atomique et montrée sur la figure 2.14 de gauche. Celle-ci est épitaxiée entre une paire de masques dont les paramètres Wm et W0 sont respectivement égaux à 60 et 40 µm.

Fig. 2.14 - Images AFM (et optique dans le coin inférieur gauche) d'une couche épitaxiée

Le dépôt de GaN déposé sélectivement entre les masques a la forme d'un ruban de GaN avec des faces latérales verticales. Ce résultat est en accord avec les travaux de K. hiramatsu et al. [Hira99] qui prévoient cette morphologie dans ces conditions de croissance. La surcroissance est plus élevée près des bords du ruban qu'au milieu, donnant une forme incurvée à la surface du ruban de GaN. Ce phénomène est du à la diffusion de surface. La diffusion de surface sur le masque est de l'ordre du µm comme il est discuté dans le premier chapitre. L'apport de matière supplémentaire pendant la croissance apporté par la diffusion de surface va se manifester principalement aux bords des masques (car leurs dimensions sont largement supérieures au micromètre) expliquant l'augmentation de la surcroissance à cet endroit. Une seconde image AFM est visible sur la figure 2.14 de droite, correspondant à une petite région (5x5 µm) de la surface du ruban. La rugosité de surface est de 4 Å, ce qui est très faible et correspond à celle du substrat acheté chez Lumilog. Des marches atomiques sont également visibles, ainsi que des trous de forme hexagonale de deux familles de tailles: une petite et une grande. Ce sont des v-defects [Mira03] dans le GaN épitaxié dûs à l'émergence des dislocations mixtes (pour ceux de petite taille) et des dislocations vis (pour ceux de grande taille) provenant du pseudo substrat. Enfin la ligne rouge sur l'image de droite représente le profil de la couche mesuré par interférométrie en lumière blanche. Les profils d'épaisseur ont été mesurés pour tous les jeux de masques. L'augmentation de l'épaisseur de la couche épitaxiée sélectivement entre les masques par rapport à la couche déposée loin des masques

Fig. 2.15 - Augmentation de l'épaisseur entre les masques comparée à l'épaisseur nominale, en fonction de Wm. Comparaison au modèle VPD

a été mesurée pour chaque paire de masque. Le rapport entre l'épaisseur de GaN épitaxiée sélectivement entre les masques (notée R) et l'épaisseur de GaN déposée loin des masque (notée R0) est tracé en fonction de la largeur des masques Wm pour les cinq valeurs de W0 sur la figure 2.15. Le rapport augmente de façon linéaire avec Wm.. Cela traduit le phénomène d'apport supplémentaire de précurseurs dans la phase vapeur. Cet apport est d'autant plus important que le masque est large. Remarquons l'excellent accord entre le modèle VPD et les valeurs expérimentales. Cet accord est obtenu pour une valeur de D/k = 13 µm, ce qui est confirmé par les résultats théoriques de la littérature [Colt04]. Ce rapport, qui peut être interprété également comme la longueur de diffusion des espèces actives dans la phase gazeuse peut donner des renseignements sur des grandeurs thermodynamiques comme la stabilité chimique. Notons à titre d'exemple que la valeur du rapport D/k du TMGa est de 110 µm lors de l'épitaxie sélective des matériaux InGaAsP et GaAs sur substrat d'InP [Sire05], valeur supérieure d'un ordre de grandeur comparée à celle que nous avons trouvé expérimentalement. Cet écart considérable peut être attribué à une forte valeur du coefficient de réaction k lors de la formation de liaisons Ga-N sur le plan (0001) du pseudo-substrat de GaN comparée à celle mise en jeu lors de la formation de liaisons Ga-As ou Ga-P, mais également à la température de croissance bien plus basse pour ces derniers matériaux.

Fig. 2.16 - Augmentation de l'épaisseur entre les masques comparée à l'épaisseur nominale, en fonction de W0

Si l'on trace le rapport de surcroissance R/R0 pour une valeur de Wm constante on remarque que celui-ci décroît lorsque W0 augmente mais de manière non linéaire (Fig.2.16). Pour un apport supplémentaire de précurseurs bien défini (par Wm), plus l'ouverture est large et plus la quantité de matière va se répartir uniformément sur une plus grande surface de cristal diminuant ainsi la vitesse de croissance. Le modèle VPD peut être également utilisé pour déterminer le profil de la croissance à l'intérieur de la zone libre située entre les masques. En effet les effets de surcroissance sont contenus dans les valeurs de R qui varient spatialement suivant l'éloignement des masques. Dans les analyses effectuées ci-avant, seules les valeurs de R en plein milieu de la zone libre ont été considérées.

Fig. 2.17 - Profils d'épaisseurs de GaN normalisés R(x) corrélés avec les profils calculés par le modèle VPD pour deux géométries de masques

Les profils mesurés expérimentalement peuvent être calculés par le modèle de simulation VPD en jouant sur la valeur du rapport D/k comme il a été discuté précédemment. Ainsi lorsque le profil simulé correspond au profil expérimental, la valeur d'entrée du rapport D/k correspondant au précurseur TMGa est obtenue dans nos conditions expérimentales. Sur les figures 2.17a et 2.17b sont tracés deux profils correspondants à deux géométries de masques différentes (Wm=140 µm, W0=40 µm et Wm=120 µm, W0=60 µm respectivement). Les profils expérimentaux sont tracés en rouge et ceux simulés sont tracés en bleu. Le meilleur accord est toujours obtenu pour un rapport D/k = 13 µm ±1 µm. Ces résultats sont près de ceux calculés par l'équipe de Coltrin et al., dans lesquels la valeur de 11,4 µm est calculée. Dans ces figures, le profil d'épaisseur a été normalisé par l'épaisseur de référence R0, correspondant à l'épaisseur loin des zones masquées.

Dans cette première partie du deuxième chapitre a été décrite la mise en œuvre de la SAG du GaN dans notre bâti de croissance EPVOM. Cette étude préliminaire s'est avérée nécessaire et a servi de base à l'étude qui fait l'objet de la partie suivante: la nano-épitaxie sélective du GaN. Ainsi nous avons trouvé des conditions de croissance optimales pour obtenir la sélectivité du GaN sur des masques en silice. Les couches de GaN épitaxiées sélectivement sont à l'état de l'art dans le domaine de la SAG du GaN. En comparant les profils d'épaisseurs des couches avec celles calculées par le modèle VPD, la valeur du rapport D/k du TMGa a pu être déterminée dans nos conditions, nous donnant ainsi la valeur du coefficient de diffusion latéral de ce précurseur dans la phase vapeur. Nous verrons d'ailleurs dans la partie qui vient que ce modèle n'est plus valable à l'échelle nanomètrique dans des conditions de croissance identiques.