La passivation par l'hydrogène

40 60 80 100 120 140 M obilité des tr ous ( cm ² / V .s)

Dopage carbone (at/cm³)

Figure 2-13: Mobilité des trous en fonction du niveau de dopage au carbone

2.5.4 La passivation par l'hydrogène

L'incorporation d'atomes d'hydrogène lors de la croissance de couches GaInAs peut être responsable de la non activité électrique d'une partie des atomes de carbone utilisés comme dopants. On parle alors de passivation du carbone par l'hydrogène. Ceci est attribué à la formation de liaison C-H, ne permettant pas au carbone de prendre dans le réseau cristallin sa position d'atome électriquement accepteur.18 Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de croissance par MOVPE, en raison de la forte présence d'hydrogène dans le gaz porteur,19 mais il a aussi été observé en GSMBE.20 Dans ce dernier cas, c'est l'hydrogène provenant du craquage à haute température des hydrures AsH3 et PH3, qui semble être responsable de la passivation. Dans les TBH GaInP/GaAs, un effet de passivation du dopant de la base, mais aussi du dopant de l'emetteur est également observé, induisant une réduction du gain du composant par recombinaison des porteurs.21, 22

Une solution largement étudiée pour remédier à ce phénomène, est l'utilisation d'un recuit à haute température pour faire diffuser l'hydrogène hors de la couche GaInAs. L'utilisation de ce procédé pour la fabrication de TBH à base dopée au carbone est rapportée dans la littérature et permet, à partir de couches de base épitaxiées par MOVPE ayant un fort taux de passivation par l'hydrogène (> 30%), de retrouver un taux d'activation du dopant proche de 100 %, et un niveau de dopage de 5 x 1019 at/cm3.23 Ce procédé est également utilisé

Dans le cas de nos couches épitaxiées par CBE, il a été montré que les concentrations de trous mesurées par effet Hall concordent avec les mesures de concentration de carbone par SIMS, 25 ce qui indique une activation du dopant proche de 100 % et donc l'absence de passivation par l'hydrogène.26 Il a donc été considéré jusqu'ici qu'un traitement de type recuit d'activation est superflu sur nos structures épitaxiales. Toutefois, il est rapporté dans la littérature qu'un effet d'activation du dopant ainsi que d'augmentation de la mobilité des trous suite à un recuit, est observé pour des couches épitaxiées par CBE, en particulier pour de forts niveaux de dopages.9 Le recuit est dans ce cas pratiqué à une température de 475°C pendant 5 minutes, sous vide. Pour un recuit à 420°C, aucun effet sur la résistivité du matériau n'est observé.27 Dans la mesure où les évolutions de la structure épitaxiale opérées dans le cadre de ce travail vont dans le sens de bases de plus en plus fortement dopées au carbone, la possibilité d'un effet d'activation du dopant a été étudiée.

Des recuits rapides à haute température (RTA = Rapid Thermal Annealing) ont été pratiqués sur des structures après épitaxie. Les RTA sont réalisés à 550°C pendant 2 minutes sous atmosphère inerte d'argon, dans un four de type ADDAX XM. Pour les recuits pratiqués sur une couche de GaInAs mise à nu, la face polie d'un substrat vierge de GaAs est posée contre notre échantillon, de façon à limiter l'évaporation de l'arsenic sous l'effet de la haute température.

Les résultats de ces recuits sur des structures de test sont résumés dans le tableau suivant, pour les échantillons les plus représentatifs :

n° de plaque ^Epaisseur GaInAs (nm) Dopage (at/cm3) Résistance couche avant recuit (Ω) Résistance couche après recuit (Ω) 82232 65 3 x 1019 460 370 270 (recuit couche nue)

82402 200 3 x 1019 370

350 (recuit avec protection

InP 40 nm) Tableau 2-5: Activation du dopage carbone par recuit rapide

L'échantillon 82232 correspond à une structure de base telle qu'incorporée dans nos TBH. L'échantillon 82402 comprend une couche épaisse GaInAs dopée au carbone, recouverte de 40 nm d'InP. Sur ces deux structures, le recuit pratiqué sur la couche GaInAs dopée mise à nu permet de diminuer de 20 à 25 % la résistance feuille. Il apparaît par ailleurs que les 40 nm d'InP de l'échantillon 82402 rendent le recuit inopérant. Il semble donc qu'il s'agisse

bien ici d'un effet de diffusion d'hydrogène hors de la couche lors du recuit, l'InP ayant un effet de barrière et empêchant l'hydrogène de s'échapper de la couche.

La diminution mesurée de résistance de couche ne semble pas ici être due à une augmentation de la concentration de dopants actifs, comme le montre la concordance entre la concentration de carbone mesurée par SIMS et le dopage mesuré par effet Hall. C'est alors une augmentation de la mobilité des trous après évacuation de l'hydrogène qui expliquerait la diminution mesurée de résistance de couche. En effet, il est rapporté dans la littérature 9 qu'une faible proportion de passivation par des groupes C-H, sans entraîner de changement mesurable dans la concentration en dopant actif, peut altérer la mobilité de façon significative, en raison du fort pouvoir d'interaction des groupes C-H sur les porteurs.

Ainsi, il apparaît que l'hypothèse d'une activation complète du carbone dans nos couches de base est erronée. L'utilisation d'un recuit d'activation doit alors être étudiée plus en détail. Une possibilité intéressante est d'incorporer le recuit à haute température dans la séquence de croissance épitaxiale (recuit in situ). Dans le but de désorber l'hydrogène de la couche GaInAs, le recuit doit être effectué dans une atmosphère sans hydrogène, c'est-à-dire sans injection d'hydrures. Le recuit est appliqué après épitaxie de la couche de base, car la présence des couches InP d'émetteur empêche la diffusion de l'hydrogène, ce qui rend son application impossible après croissance complète de la structure, comme nous l'avons constaté au paragraphe précèdent. Le recuit appliqué consiste en un arrêt de croissance de 5 minutes sans injection d'hydrure avec une rampe de température jusqu'à 510°C.

n° de plaque ^{Epaisseur de} base

(nm) ^{Pression CBr4 Recuit in situ}

Résistance

couche (Ω) ^{Gain statique} en courant

82412 0.10 5' @ 510°C 780 40 82413 0.14 5' @ 510°C 670 8 82414 0.11 aucun 810 46 82415 38 0.14 aucun 685 22.5 Tableau 2-6: Activation du dopage carbone par recuit in situ

Il apparaît ici que le recuit in situ permet de diminuer la résistance des couches de base. Pour un niveau de dopage moins élevé, l'échantillon avec recuit 82412 a une résistance de couche de base 5 % plus faible que l'échantillon 82414. La diminution observée n'est toutefois pas spectaculaire, et en tout cas moins élevée que celle mesurée lors des recuits RTA après épitaxie, de l'ordre de 25 %. Ce phénomène ne semble pas s'expliquer par les

cas, la température appliquée est au-dessus des 475°C rapportés dans la littérature pour ce type de recuit. Il apparaît dans les résultats précédents que les structures ayant subi un recuit in situ présentent un gain statique en courant plus faible que celles sans recuit, à épaisseur et dopage de base équivalents, comme présenté sur la figure suivante.

0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 5 10 15