Nitruration du GaAs (100)

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III.6.2. Comparaison des deux processus :

Le but des deux processus de nettoyage est la désoxydation de la surface de GaAs (élimination de la couche d’oxyde natif) afin d’avoir une surface de départ exempte d’impuretés afin de réaliser la nitruration. Le processus 1 comporte un dégraissage de la surface avec des solutions chimiques et un bombardement ionique (Ar+) qui sert à arracher les premières couches oxydées. Ce processus est efficace pour éliminer l’oxyde natif de la surface de GaAs mais résulte une surface amorphe.

Le bombardement ionique provoque des dommages structuraux [40, 41]. Par contre, le processus 2 a pour but de désoxyder la surface de GaAs sans changer sa morphologie structurale.

III.7. Nitruration du GaAs (100) :

III.7.1. Nitruration avec la source GDS :

Le processus de nitruration, des substrats de GaAs, avec la source GDS que nous employons a été optimisé dans les travaux antérieurs de l’équipe surfaces et interfaces de l’Institut Pascal [1, 2, 36]. Les échantillons que nous avons nitrurés avec la source GDS sont des échantillons GaAs orientés (100) nettoyés chimiquement et bombardés avec des ions Ar⁺. N vient se combiner en surface (riche gallium) pour former des liaisons Ga-N puis il diffuse dans la matrice de GaAs la surface du substrat est soumise à un flux d’azote actif (N, N⁺, N²⁺) produit par une source à décharge (Glow Discharge Cell, GDS). La puissance de la source GDS est comprise entre 3 et 10 W, le temps d’exposition au plasma varie de 0 à 30 minutes. Le substrat est maintenu à une température de 500°C. Les atomes d’azote viennent se combiner aux atomes de gallium métalliques présents à la surface du GaAs. Les monocouches de gallium jouent alors le rôle de précurseurs. Des couches de GaN sont alors créées par consommation du gallium sous conditions de croissance optimales (température du substrat, angle d’incidence du flux d’azote, temps de nitruration…). La surface de GaAs est alors recouverte par des couches de GaN.

Chapitre III : Elaboration des structures à base de matériaux III-V nitrurés

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Figure III.15 : Schématisation du processus de nitruration. [4]

Afin de suivre le processus de nitruration par la source GDS et d’analyser la composition des surfaces des échantillons, G. Monier [1] a enregistré et décomposé les pics photo-électroniques de l'arsenic (As3d), du gallium (Ga3d) et de l'azote (N1s). Les décompositions sont illustrées dans la figure III.16.

Figure III.16 : Décompositions des spectres XPS après nitruration avec la source GDS [1]

L’évolution de l’épaisseur de la couche du GaN créé en fonction du temps de nitruration a été étudiée par G. Monier dans les travaux de sa thèse de doctorat [1]. Cette étude a été réalisée à partir des résultats expérimentaux et de modélisations théoriques des signaux XPS enregistrés au cours de la nitruration. Cette évolution est représentée dans la figure III.17.

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Figure III.17 : Evolution de l’épaisseur du GaN créé en fonction du temps de nitruration [1]

III.7.2. Nitruration avec la source ECR :

Les échantillons GaAs (100) que nous avons utilisé n’ont pas été bombardés ioniquement, ils ont été nettoyés uniquement avec un nettoyage chimique (détaillé précédemment dans la partie préparation des structure). La surface, obtenue donc après le nettoyage est riche en gallium, est favorable pour la création d’une couche de GaN. Le plasma produit par la source ECR génère des atomes radicaux d’azote et pas d’ions de N⁺ et N²⁺ comme le plasma produit par la source GDS ce qui donne la possibilité d’avoir une couche de GaN qui ne présente pas d’ions (qui peuvent être une source de défauts à l’interface GaN/GaAs). La source ECR utilisée dans nos travaux de thèse génère un plasma avec une puissance allant jusqu’à 60W ce qui donne la possibilité d’avoir des couches de GaN plus épaisses. Par contre la création de la couche du GaN avec une source ECR est plus lente comparée à une source GDS, cela est dû au fait que la source ECR génère des atomes d’azote radicaux qui sont moins énergétiques que les espèces ioniques générés par la source GDS.

Pour suivre le processus de nitruration, et pour analyser la composition des surfaces des échantillons, on a enregistré les pics photo-électroniques de l'arsenic (As3d), du gallium (Ga3d), de l'oxygène (O1s) et de l'azote (N1s). La figure III.18 montre les spectres avant et après la nitruration.

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Figure III.18 : Les spectres XPS avant et après nitruration.

Avant l'étape de nitruration, le pic d'oxygène (O1s) à 531eV est très petit et trop bruyant et peut donc être considéré comme négligeable. Après la nitruration, le pic d'arsenic (As3d) à 41eV ne change pas sa position énergétique et la largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic reste constante. Cela implique que le pic As3d ne peut être décomposé que par l'environnement As-Ga correspondant aux substrats As-GaAs. Ceci signifie aussi qu’on n’a pas des atomes de As dans les films de GaN créé [42]. De l'autre côté, la FWHM du pic de gallium (Ga3d) à 19eV augmente après la nitruration ce qui peut être expliqué par la présence d'environnements Ga-As, Ga-N et Ga-NO [42 - 45]. Le pic de Ga3d peut donc être décomposé par 3 pics comme le montre la Fig. Il y a aussi l'apparition du pic d'azote (N1s) à 397eV qui contient deux environnements : N-Ga et N-O [46 - 48]. La présence des environnements Ga-NO et N-O est confirmée par la présence du pic d'oxygène (O1s) à 531eV après nitruration.

L’évolution de l’épaisseur de la couche de GaN créée, avec la source ECR, en fonction du temps de la nitruration a été étudiée par H. Mehdi [49] dans les travaux de sa thèse de doctorat et représentée dans la figure III.19.

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Temps de nitruration (min)

ECR GaAs (100)P=2,5.10^-5 mbar ECR GaAs(100) P=1.10^-4 mbar

Figure III. 19 : Evolution de l’épaisseur du GaN créé avec la source ECR en fonction du temps de nitruration pour les pressions 2.5×10^-5 et 10^-4 mbar. [49]

La puissance de la source ECR peut être contrôlée en fixant la pression d’azote dans la chambre. L’augmentation de la pression mène à avoir une couche de GaN plus épaisse (voir figure III. 19).

III.7.3. Comparaison des deux méthodes de nitruration :

Les deux méthodes de nitruration (GDS et ECR) ont pour but de faire croitre une couche mince de GaN sur un substrat de GaAs. Les deux méthodes partent sur le principe d’exposer la surface de GaAs à un flux d’azote actif (plasma de N2) afin de créer des monocouches de GaN en remplaçant l’As par N dans le cristal de GaAs. Le plasma de N2 est créé avec la GDS en brisant les liaisons N-N par une haute tension ceci résulte des ions de N tels que N⁺ et N²⁺ et peu de atomes radicaux de N.

Par contre, la création de plasma d’azote par la source ECR se fait en brisant les liaisons N-N par des ondes RF ce qui résulte peu d’espèces ioniques d’azote et beaucoup plus de atomes radicaux de N.

Le processus de nitruration avec une source GDS est plus rapide comparé à celui avec une source ECR en raison de la présence des espèces ioniques de N (plus énergétiques que les atomes radicaux) ayant plus d’énergie pour pénétrer plus loin dans le GaAs.

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