Etat de l’art

3.3.2.1.1 Réaction de désoxydation

Une méthode permettant la désorption de l’oxyde en exposant la surface du semi- conducteur à un flux d’hydrogène atomique a été proposée par Chang et al [Chang 1981]. L’hydrogène atomique réagit chimiquement avec l’oxyde pour former des composés volatils. Dans ce premier résultat, les auteurs ont proposé que les composés volatils formés soient H2O, AsH3 et Ga2H6, ce qui, par la suite a été infirmé.

Le nettoyage assisté par hydrogène est typiquement réalisé à des températures modérées de 300°C à 450°C. Sous certaines conditions, on peut désorber thermiquement l’oxyde d’arsenic et le Ga2O sans l’aide d’hydrogène, le but étant ensuite de réduire le Ga2O3 en Ga2O afin de le désorber [Yamada 1992].

↑ ↑ ₊ → + ) 2 1 ( 3 6 2 2 4 3 2O H H O As As As ↑ + → +3H Ga AsH3 GaAs C O Ga O H H O Ga2 3 +4 →2 2 ↑ + 2 ↑400°

Cependant l’exposition d’une surface de GaAs au plasma d’hydrogène déséquilibre la stœchiométrie de la surface par la réaction :

Ainsi, si cette réaction a lieu pendant la désoxydation, une deuxième réaction se produira : O

Ga Ga

O

Ga_{2 3} +4 →3 ₂

Cela conduira à la consommation du GaAs massif pour former des gouttelettes de Ga, qui réduiront le Ga2O3 en Ga2O volatil. On pourrait rétablir la stœchiométrie de la surface par une exposition à un flux d’élément V, mais il est préférable de stopper l’exposition au plasma

Chapitre 3 : Préparation de surface

d’hydrogène avant que la déplétion en arsenic de la surface ne s’opère. Remarquons que ce problème est différent de celui qui se produisait dans le cas de la désoxydation thermique. Ici, en effet, la consommation du GaAs massif n’est pas inhérente au processus de désoxydation. Il ne se produira que si la surface nue de GaAs est exposée à un flux d’hydrogène. Il sera donc nécessaire de contrôler finement le processus de décomposition de l’oxyde de manière à éviter autant que faire se peut l’exposition de la surface GaAs sous-jacente [Yamada 1992].

Une méthodologie différente a été utilisée par Petit et al [Petit 1992], [Petit 1994] pour nettoyer le GaAs. Ces auteurs ont procédé en deux étapes, la première consistant en une exposition à l’hydrogène atomique à température ambiante permettant ainsi de décomposer l’oxyde d’arsenic, la deuxième étape se déroulant à 300°C, et permettant d’éliminer l’oxyde de gallium. Cette température est toutefois un peu faible. En effet, l’optimisation de la température du substrat pour désorber l’oxyde de gallium a été précisée par la suite. Il a été montré [Ide 1994] que l’inefficacité du nettoyage à basse température (en dessous de 210°C) n’était pas simplement due à une diminution de la vitesse de réaction mais qu’elle était causée par un masquage du Ga2O3 par le Ga2O, résidant en surface. En effet, le traitement par un plasma hydrogène d’une surface de GaAs oxydée produit la formation du complexe Ga2O. Son nettoyage nécessite la suppression de ce complexe qui est efficace à partir de 400°C.

3.3.2.1.2 Contamination et morphologie de la surface après le plasma d’hydrogène

Burke et al [Burke 1997] ont montré qu’une désoxydation avec de l’hydrogène permettait de limiter la diminution de la concentration de porteurs lors du franchissement de l’interface de reprise d’épitaxie. Une autre étude [Ritchie 1997] a montré l’efficacité de ce nettoyage en comparant par SIMS son effet et celui d’une désoxydation thermique sur la concentration des contaminants O, C et Si à l’interface de reprise d’épitaxie. Leurs résultats montrent que la concentration en carbone est nettement réduite, mais cependant que les concentrations en Si et O restent plus élevées, ils attribuent ce résultat à une formation de SiO2 à l’interface de reprise d’épitaxie. Ils ont aussi observé que le départ d’oxyde par une exposition à un flux d’hydrogène atomique ne rugosifie pas la surface.

La surface de GaAs(001) présente différentes reconstructions en fonction de la stœchiométrie de la surface, de la température et de la présence ou non d’un flux d’arsenic. Dans les conditions normales d’épitaxie, sous pression d’As, la reconstruction de surface la plus stable pour une surface GaAs(001) à 400°C est la structure riche en As c(4×4). La reconstruction de surface en présence d’hydrogène pour cette température est différente, de type (2×1). Pour les températures supérieures, des reconstructions analogues seront obtenues mais observées dans des plages de température différentes comme le montre la Figure 60.

Khatiri et al [Khatiri 2004] ont observé, au RHEED ainsi que par STM, une reconstruction (2×4) après désoxydation à 400°C sous flux d’hydrogène atomique sans pression d’As. Cette observation montre que, malgré l’absence d’un flux d’arsenic de la surface, la surface reste riche-As, ce qui est cohérent avec la thermodynamique. A haute température (>450°C) l’exposition à un flux d’hydrogène n’a aucune influence sur la morphologie de la surface [KhatiriB 2004] ; ce qui est contradictoire avec la rugosification observée par d’autres auteurs [Yamada 1992].

Cette technique permet donc de décomposer l’oxyde d’une surface de GaAs à des températures plus basses que celles qui sont nécessaires par la voie thermique. Ceci peut constituer un avantage pour les reprises d’épitaxie. En effet, la diffusion surfacique des espèces après désorption de l’oxyde sera plus faible à faible température, ce qui permettra donc de préserver plus facilement des motifs de dimension nanométrique. Il reste toutefois à confirmer auparavant que la désorption par H conduit à des surfaces lisses quand cette technique est appliquée aux surfaces traitées par plasma.

Figure 60: Dépendance de la reconstruction de surface du GaAs(001) en fonction de la température du substrat sous flux d'H, flux d'As et flux d'As et d'H. [Okada 1996]