Dans ce manuscrit, nous considérons que les dépôts ont été effectués dans les conditions suivantes, sauf indication contraire :
– pression de base : environ 7 10–7 mbar ;
– pression de travail : 1,2 10–3 mbar d'Ar (obtenue avec un flux de 30 sccm) ;
– mise en place des échantillons : échantillons collés sur les porte-échantillons à l'aide de bande adhésive 3M Kapton® ;
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– puissance des dépôts : 100 W ;
– potentiel du porte-échantillon (bias) : laissé flottant (soit entre – 22 et – 23 V) ; – rotation de l'échantillon autour de son axe ;
– vitesses de dépôt de l'Al et du a-Si : 0,435 nm s–1 et 0,208 nm s–1 respectivement ; – épaisseurs (durées) d'Al et de a-Si : 10 nm (23 s) et 15 nm (72 s) respectivement ; – température ambiante ;
– pré-pulvérisations (dépollution) : en début de journée 15 min à 100 W pour le Si, et 5 min à 100 W pour l'Al ; et environ 1 min pour chacune des cibles, entre chaque dépôt.
A.2 Epitaxie par jets moléculaires
L'épitaxie par jets moléculaires (ou MBE dans la suite, pour « Molecular Beam Epitaxy ») a uniquement été utilisée pour la croissance des nanofils de semiconducteurs iii–v (presqu'exclusivement de GaAs). Nous rappelons dans cette section les principes de base de cette méthode de croissance, sans rentrer dans les détails.
A.2.1
Bâti de croissance et généralités
Le bâti MBE utilisé pour les croissances de nanofils de iii–v est un bâti de type Riber-32, de la société Riber. Ce bâti est constitué de 4 chambres successives :
– un sas d'introduction, disposant d'un chariot à 8 positions, et débouchant dans une hotte à flux laminaire ;
– une chambre de préparation disposant d'un four, dans laquelle les substrats sont dégazés avant stockage et croissance (typiquement 30 min à 450 °C afin de désorber toute trace d'eau) ; – une chambre de transfert qui dispose également d'un chariot à 8 positions (c'est dans cette
chambre que sont stockés les substrats dégazés, avant qu'ils ne soient utilisés pour des crois-sances) ;
– une chambre principale de croissance (schématisée sur la Fig. A 5).
La chambre de croissance est équipée d'un manipulateur porte-échantillon doté d'un four, permettant de chauffer les substrats. La température du substrat est contrôlée de trois manières différentes : un thermocouple placé sous le substrat, un pyromètre placé en face de ce dernier (opérant à une longueur d'onde de 0,8 µm), et également un spectromètre kSA BandiT.
Le vide dans la chambre de croissance est maintenu à une pression de base inférieure à 1 10–10 mbar grâce à une pompe cryogénique, une pompe ionique, et à deux panneaux froids (doubles parois rem-plies de N2 liquide ; le panneau froid des cellules n'est pas représenté sur la Fig. A 5). Sous ce vide, les atomes évaporés des cellules à évaporation (le bâti de croissance en dispose de sept : Ga, In, Al, As, P, Be, et Si) ont un libre parcours moyen nettement supérieur à la distance creuset–substrat : ainsi, ils arrivent sur le substrat de manière balistique, et les réactions entre eux n'ont lieu qu'à la surface de celui-ci.
Le contrôle in-situ des croissances est réalisé à l'aide d'un dispositif de diffraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante (RHEED, pour « Reflection High Energy Electron Diffraction »), dont les principes sont donnés dans le paragraphe suivant.
2.1.2.2
Caractérisation in-situ des croissances par RHEED
Un faisceau d'électrons, d'une énergie déter-minée, est dirigé sur la surface de l'échantillon avec un faible angle d'incidence, ce qui limite la profondeur de pénétration de ceux-ci : le RHEED n'est alors sensible qu'aux premiers plans ato-miques. Les électrons, diffractés par la surface de l'échantillon, sont interceptés par un écran phosphorescent (Fig. A 6).
Très sensible aux dernières couches atomiques de l'échantillon, le RHEED permet notamment d'obser-ver la désoxydation, les reconstructions de surfaces, ou l'apparition de structures tridimensionnelles en surface. Il permet donc en particulier de déterminer au cours de la croissance si des nanofils ont
1 2 3 5 6 7 8 9 11 4 10 1 Entrée de la chambre 2 Hublot 3 Port du manipulateur 4 Manipulateur 5 Vers écran RHEED 6 Shutter
7 Cellule à évaporation 8 Faisceau de matière 9 Canon à électrons (RHEED)
10 Four
11 Panneau froid
Légende
Figure A 5 Représentation schématique de la chambre de croissance d'un bâti MBE. (Fig. A 5)
Écran phosphorescent
Échantillon Faisceau incident Faisceaux réfléchis
Figure A 6 Représentation schématique du RHEED. (Fig. A 6)
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nucléé ou pas. Lors de la nucléation des nanofils, le diagramme RHEED de l'échantillon passe de lignes (surface peu rugueuse et reconstruite) à des points (structures tridimensionnelles).
2.1.3 Lithographie électronique
La lithographie électronique est un outil très souple pour la définition de motifs à très petite échelle (précision de l'ordre de quelques nanomètres). L'exposition par faisceau électronique d'une fine couche de résine suit un tracé prédéfini : le schéma d'exposition peut donc être modifié à volonté.
Au cours de cette thèse, la lithographie électronique a été utilisée dans deux procédés de nano- fabrication :
– la gravure de motifs dans un empilement déjà existant : la lithographie d'une couche de résine est effectuée au dessus d'un empilement. Les motifs définis par le masqueur électronique sont transférés dans l'empilement grâce à une gravure ionique ;
– le dépôt d'un empilement est effectué sur une résine auparavant lithographiée : la dissolution de la résine permet de ne conserver que les dépôts dans ses ouvertures.
C'est un masqueur Vistec EBPG 5+ qui est utilisé à une tension de 100 kV et un courant de 5 nA. Les doses émises sont de l'ordre de 1200 µC cm–2. Ces conditions permettent d'insoler une couche de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) A5, déposé par enduction centrifuge (vitesse de rotation de 5 000 rpm et accélération de 2 000 rpm s–1) et d'une épaisseur approximative de 50 nm. Après expo-sition au faisceau d'électrons, le développement de la résine est réalisé à l'aide d'un mélange isopen-tanone:isopropanol (3:1) pendant 40 s. L'échantillon est ensuite rincé à l'isopropanol et séché sous flux de N2.
Dans le cas du premier procédé décrit ci-avant, nous utilisons une gravure ionique réactive avec une torche à plasma. L'utilisation de BCl3/HBr permet d'optimiser l'anisotropie de la gravure de nos maté-riaux (Al et a-Si) et la sélectivité de celle-ci par rapport au PMMA.
Après gravure (ou après dépôt, dans le cas du second procédé), le PMMA est dissout dans le trichlo-roéthylène à 90 °C pendant 5 min, parfois sous sonication. Les échantillons sont ensuite rincés au trichloroéthylène, à l'acétone, et enfin à l'isopropanol.
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