Nanofabrication

3.2.1 Lithographie électronique

Tous les échantillons que j’ai fabriqués possèdent la dénomination PD (pour photodétecteur) et

ils consistent en deux ou quatre contacts métalliques de part et d’autre d’un nanofil unique. Cette

tâche s’accomplit en pratiquant une lithographie électronique. Cette méthode lente et onéreuse n’est

pertinente que pour la fabrication d’échantillons de petite taille et en faible nombre. Elle est en revanche

parfaitement adaptée à nos besoins car elle offre une précision et une résolution très importantes. Le

schéma qui répertorie toutes les étapes de la lithographie est disponible sur la Figure 3.4.

sub-Figure3.4 – Schéma des différentes étapes de la lithographie électronique. (1-3) L’insolation de la résine

avec le faisceau d’électrons fragilise le PMMA (Polyméthacrylate de méthyle, résine électrosensible). (4)

Un bain chimique permet d’enlever les zones insolées. (5-6) Évaporation du métal, et dissolution de la

résine pour éliminer le métal sauf dans les trous.

strat de saphir. En premier lieu, on va transférer les nanofils sur un substrat de silicium avec une couche

de300nmde SiO

₂

à la surface. Les nanofils sont détachés de leur substrat de saphir avec de l’éthanol

et un bain d’ultrasons puis déposés sur notre substrat. Une fois que l’éthanol s’est évaporé, les nanofils

adhèrent à la surface à l’aide des forces de Van der Waals. La principale difficulté de la lithographie

provient du fait qu’il nous est impossible de regarder au MEB l’endroit où l’on va insoler la structure

ce qui aurait pour effet d’insoler le PMMA. Afin de contourner cette difficulté, il nous faut enregistrer

au préalable la position des nanofils que l’on souhaite contacter par rapport à d’autres éléments sur le

substrat. Dans notre cas, ce sont des points d’indentation à la surface du substrat qui font office de

points de repère. Ces marques sont créées par la pression d’une pointe métallique sur le substrat, ce qui

laisse une déformation de10µm de diamètre visible au MEB (voir Figure3.5).

Avant l’insolation des plots de contact du photodétecteur, une couche de 500-600nm de PMMA

(poly-méthacrylate de méthyle), une résine électrosensible, est déposée, à la suite de quoi on peut débuter la

lithographie. Par la suite on enlève la résine insolée par un bain d’IPA/MIBK (développeur de PMMA),

et on passe à une étape de RIE (acronyme anglais de reactive ion etching, gravure ionique réactive) avec

du dioxygène ou de l’argon selon les échantillons pour garantir des bonnes propriétés électriques au

ni-veau des contacts. Et enfin, on dépose les métaux (30nmde titane puis300nmd’or) par évaporation et

on enlève la résine restante dans un bain d’acétone pendant 3h. La nanofabrication des photodétecteurs

bien que nécessitant de nombreuses étapes présente un taux de succès très important. On ne compte

généralement pas plus de 1 ou 2 photodétecteurs défectueux pour 20 photodétecteurs.

3.2.2 RIE et recuit des contacts

Juste avant le dépôt de métal, les multiples fabrications ont montré qu’il est possible d’améliorer les

caractéristiques électriques du contact entre le ZnO et le métal. En effet, sans traitement particulier, le

Figure 3.5 – Image d’une marque d’indentation réalisée à partir d’un micro-indenteur. La marque

fracture légèrement la surface du substrat, mais ce n’est pas gênant car les nanofils à contacts sont

situés beaucoup plus loin. On observe aussi un couple de nanofil à proximité.

contact présente un comportement redresseur (non linéaire).

On utilise un bombardement d’ions azote qui crée des défauts à la surface du semiconducteur (en

arra-chant des atomes d’oxygène) [72]. Ceci aboutit à la création d’une zone fortement dopéen à la jonction,

ce qui va ensuite favoriser l’effet tunnel des porteurs de charge au niveau de la jonction. Les données

relatives à la fabrication sont répertoriées dans le tableau3.1.

De manière générale, la RIE est une technique de gravure qui permet d’enlever du matériau selon

une direction choisie (gravure anisotrope). L’opération se passe dans une chambre sous vide, où l’on crée

un plasma à partir d’un gaz (ici l’argon) qui va attaquer la surface de l’échantillon. Cette méthode est

couramment utilisée pour éliminer une couche de matériau lors des étapes de nanofabrication, ou encore

de nettoyer la surface de toutes contaminations organiques. Dans notre cas, le but est la création par

bombardement ionique d’imperfections à la surface du semiconducteur et ainsi modifier les propriétés

électriques du matériau.

Il existe de multiples paramètres sur lesquels il est possible de jouer afin d’aboutir à une gravure

uniforme et conforme aux attentes de l’utilisateur. On retrouve notamment le contrôle de la densité

d’ion (à travers la puissance RF utilisée et la pression du gaz), le temps de la gravure, ainsi que le type

de gaz utilisé (l’oxygène et le CF4 étant parmi les plus courants). Vous pouvez retrouver un schéma de

principe de l’appareil sur la Figure3.6.

Une fois l’échantillon terminé, on peut passer à la caractérisation électrique. Dans le cas où celle

ci ne révèle pas de comportements ohmiques satisfaisants, il est possible de pratiquer un recuit des

contacts. Cette opération permet, grâce à l’énergie thermique, une réorganisation des atomes au niveau

de la jonction. La migration des atomes permet généralement d’améliorer le contact entre les matériaux

et de réduire leur résistance électrique. Nous avons effectué des recuits sous atmosphère d’azote (car

nous souhaitons éviter qu’apparaissent des réactions chimiques parasites entre la surface et son

envi-ronnement) durant quelques dizaines de minutes à des températures contenues entre 150 et 200°C. On

a pu constater pour certains fils une diminution significative de la résistance électrique, ainsi qu’une

amélioration du contact ohmique (voir Tableau 3.2).

Paramètres de la fabrication

Indentation Micro indenteur Masse 100g

Dépôt des fils Bain d’ultrasons Temps 5s

Vitesse 2500 rpm

accélération 3000 rpm.s

´1

PMMA 30g.L

´1

dans la tournette

temps 30s

Résine

Four recuit 3h à 160°C

Aperture 30µm

Voltage 20kV

Dose 250µC.cm

´2

Insolation e-beam lithography (Raith e-line)

Step size 6.8nm

Développement MIBK/IPA Temps 2min

Temps 1min20s

Puissance 50W

RIE Plasma d’argon

Pression 5 mTorr

Titane épaisseur 30nm

Métallisation _{Or épaisseur}

300nm

Lift off Bain d’acétone Temps 3h

Recuit Atmosphère d’azote Paramètre 10min à 200°C

Table 3.1 – Récapitulatif des paramètres de fabrication des photodétecteurs en ZnO

‚ Dans un premier temps, le recuit a été effectué à 150°C pendant 10min dans la boite à gants

(atmosphère d’azote pur, sans H

₂

O ni O

₂

, <1ppm).

‚ Puis un autre à 150°C pendant 40min

‚ Et enfin le dernier à 200°C pendant 10min.

Résistance totale mesurée (enkΩ)

Nanofil 1 Nanofil 2 Nanofil 10

Avant recuit 154 71 111

Après 1

er

recuit 166 24 121

Après 2

ème

recuit 132 30 100

Après 3

^ème

recuit 160 32 116

Table3.2 – Récapitulatif de l’évolution des résistances de l’échantillon PD10 pour les fils déjà ohmiques.

Afin de réduire la résistance des contacts, nous avons fait un recuit pendant 10min à 150°C pour

tous les échantillons que nous avons fabriqué par la suite.

Dans le document Réalisation et caractérisation de photodétecteurs à base de nanofils de semiconducteur (Page 53-57)