DIMENSIONS Le premier axe d'amélioration concerne le dépôt des gouttes de Ga : nous devons fabri-quer des échantillons conservant un rapport D3/P2 constant. Ce travail demande donc une calibration fine du masqueur électronique afin que la dose déposée soit conforme avec le rayon souhaité. Les expériences matricielles où plusieurs diamètres sont disponibles pour chaque pas sont donc en réalité peu utiles pour étudier le dépôt de Ga.
Avec de tels échantillons, l'analyse après dépôt de gouttes de Ga sera aisée. En revanche, on a pu voir précédemment que lorsque l'on augmente le volume d'une goutte de Ga, il lui suffit d'augmenter très faiblement son angle de mouillage pour s'adapter à ce nouveau volume, puisque cet angle est supérieur à 90°. Nous pensons donc que la taille des gouttes de Ga n'est pas nécessairement un facteur critique, et que, grâce à la rugosité des nano-substrats de Si, de nombreux angles de contacts, autour des 112° trouvés, peuvent être adéquats pour le système.
ENTERREMENT Afin d'améliorer la localisation des gouttes de Ga, nous avons enterré de 20 nm la surface des nano-substrats de Si. Nous n'avons, à ce jour, pas essayé d'utiliser d'autres valeurs de pro-fondeur. Il est possible qu'une profondeur trop importante des nano-substrats puisse induire une « intolérance » aux gouttes légèrement trop grandes : celles-ci pourraient avoir tendance à sortir des trous et à se placer sur la surface supérieure de SiNx (Fig. 3.4 9 (c)).
Il est vraisemblable que nous ne puissions pas obtenir une surface réellement lisse, où les nano-subs-trats affleurent le niveau de la couche diélectrique : il existera toujours un petit creux sur les bords des nano-substrats, qui aura une influence sur le mouillage des gouttes de catalyseur.
b) Nanofils
LOCALISATION Nous avions précédemment pu observer que les nanofils de GaAs dont la croissance avait été effectuée sur les substrats couches-minces de Si (111) avaient une tendance non négligeable à croître proche des défauts de couverture des cristaux (§ 2.5.2, p. 87). Nous retrouvons cette ten-dance avec les nano-substrats, sur lesquels les nanofils poussent à cheval avec le masque diélectrique (Fig. 3.4 12 (a) et (b)).
DIMENSION DES NANO-SUBSTRATS ET CROISSANCES En raison de cette croissance sur le bord des nano-substrats, il nous semble logique de limiter la surface des nano-substrats au strict nécessaire : en ne concevant des ensembles de nano-substrats qu'avec un diamètre inférieur ou égal au diamètre d'un nanofil.
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Les croissances de nanofils ont, à ce jour, pas pu être optimisées. Une fois le dépôt de Ga idéal dé-terminé avec précision, il nous faudra choisir des dimensions de motifs afin de ne pas chercher des conditions optimales générales qui peuvent ne pas exister. En effet, comme nous l'avons vu à de nom-breuses reprises, le rapport D3/P2 doit être maintenu constant pour que les gouttes de Ga s'adaptent simultanément aux nano-substrats. En revanche, nos expériences de croissance laissent penser que c'est le rapport des surfaces, D2/P2 , qui permet une distribution équitable de l'As lors de la croissance. Ces deux grandeurs ne peuvent pas être conservées simultanément.
Il est toutefois possible que le système se révèle très souples : des études ont déjà montré des crois-sances d'ensembles de nanofils sur des substrats présentant à leur surface des ensembles de diamètres et pas bien distincts les uns des autres (diamètre constant et pas variable, notamment).199
b) Perspectives
Le travail d'optimisation des croissances de nanofils de GaAs n'a pas pu être mené au cours de cette thèse en raison de problèmes matériels. En revanche, nombreuses sont les idées pour y arriver, avec notamment :
– utilisation de séries d'échantillons à motifs respectant les prescriptions de la Section 3.4.1.3
(p. 146) : c'est-à-dire avec un rapport D3/P2 constant, permettant d'analyser l'influence du diamètre des nano-substrats ;
– fabrication de larges échantillons sur des quarts ou des sixièmes de wafers, afin d'éviter les aléas des collages à l'In, qui modifient les conditions thermiques réelles des échantillons ; – déterminer le flux de Ga et d'As à appliquer sur chaque section des échantillons lithographiés
pour obtenir des croissances optimales de fils ;
– déterminer les raisons des échecs de croissance de nanofils, qui semblent donner des nanofils rampants : il pourrait s'agir d'une température insuffisante.
Nous pensons que d'autres structures pourraient être épitaxiées à partir de nos nano-substrats de Si. À titre d'exemple, les nanofils de GaN, qui croissent selon le mécanisme VSS, n'ont pas besoin d'un catalyseur liquide : ils devraient donc facilement croître sur des substrats de Si (111) non enterrés. La présence des trous pourrait toutefois leur être également bénéfique, en empêchant toute croissance oblique à partir des bords des plaquettes.
3.4.3 Conclusion et perspectives
À notre connaissance, la cristallisation induite par l'Al du a-Si n'a jamais été conduite auparavant, sur des échantillons lithographiés. Dans ce manuscrit, nous avons pu démontrer que ce procédé fonctionne
extrêmement bien, même lorsque les empilements de couches sont réduits à quelques nanomètres d'épaisseur, et quelques dizaines de nanomètres d'extension latérale (Chapitre 2.2, p. 47). Dans ces conditions, les cristaux formés sont des monocristaux isolés de forme, de taille, et de position prédé-terminées. Ils présentent également une orientation [111] (§ 3.2.2.2, p. 123), qui est nécessaire à la croissance verticale des nanofils, de même qu'une rugosité de surface très limitée (§ 3.2.2.1, p. 123). En revanche, la division d'un empilement d'extension infinie en une grande quantité de petits motifs va fortement influencer leur cinétique de cristallisation (principalement celle de nucléation), qui va s'en trouver radicalement ralentie. L'étude complète de cette cinétique de nucléation (Chapitre 3.3, p. 127) a été menée afin de déterminer le temps minimal de recuit à utiliser pour obtenir une cristal-lisation de tous les motifs de Si. Celle-ci a aussi permis de mettre en lumière des effets indésirables du procédé de fabrication par gravure ionique (§ 3.3.2.2, p. 129). À cette occasion, nous avons aussi pu démontrer que sur tous les substrats, lithographiés ou non, le taux de nucléation par unités de temps et de surface suivent exactement la même loi d'Arrhénius (§ 3.3.2.3, p. 135) avec la température du recuit, ce qui illustre leur similarité. La divisision d'un empilement d'extension infinie en de multiples motifs de petite surface a pour effet principal de ralentir la cinétique de nucléation de chacun des motifs.
D'autres modes de fabrication ont par la suite été utilisés avec succès (§ 3.4.1, p. 140), afin de former des monocristaux ordonnés de Si. Dans le cadre de la croissance VLS de nanofils, il nous a été néces-saire les enterrer partiellement, afin de faciliter la localisation des gouttes de catalyseur métallique (§ 3.4.1.2, p. 143). Les nano-substrats enterrés ont alors prouvé leur efficacité dans la localisation de ces gouttes de Ga.
Enfin, la croissance de nanofils de GaAs sur ces nano-substrats a été démontrée (§ 3.4.2, p. 148). Leur rendement d'obtention est pour le moment relativement faible, mais nous ne doutons pas que des essais d'optimisation pourront grandement l'améliorer.
En outre, notre objectif étant la croissance des fils, nous avons principalement cherché à réduire la taille des monocristaux que nous pouvions former. En parallèle, et dans l'optique d'épitaxier toutes sortes d'autres matériaux actifs, nous avons mis en œuvre des solutions originales (Chapitre 3.5) pour accroître la taille des monocristaux de Si, tout en conservant leur finesse, leur faible rugosité, et leur orientation [111].
155 3.4.2 Croissance de nanofils de GaAs sur des nano-substrats de Si
Chapitre 4.3 Cristallisation : cinétique (§ A.B.C, p. D) Chapitre 4.2 Nombre de monocristaux (§ A.B.C, p. D) Chapitre 4.2 Orientation : Si (111) (§ A.B.C, p. D) Cristallisation Gravure ? Épitaxie VSS : GaN Substrat pour l’épitaxie ?
Chapitre 4.4 Catalyseur : localisation (§ A.B.C, p. D) Chapitre 4.4 Nanofils : croissance (§ A.B.C, p. D) Substrat métallique Chapitre 3.6
Intégrer les nanofils dans des dispositifs opto-électroniques Chapitre 3.2
Nature du substrat (§ A.B.C, p. D)
Lithographie et dépôt
Augmenter la taille des monocristaux ? a b c d e f j i h Chapitre 4.4 Fabrication : procédé (§ A.B.C, p. D) g
SiO2 / Verre Si(100) protégé conductriceCouche
Chapitre 4.5
Figure 3.4 13 Résumé graphique des étapes de conception des nano-substrats de Si.
RÉSUMÉ DU CHAPITRE
Nous présentons une méthode originale de fabrication de grains de Si de très grande extension la-térale, basée sur la modulation du rayon de déplétion (§ 3.5.1,p. 158). Cette méthode consiste en l'ajout d'une couche barrière de diffusion lithographie à l'interface entre l'Al et le a-Si. Les premiers résultats démontrent le concept de cette couche barrière lithographiée (§ 3.5.2, p. 160).
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