Passivation des surfaces de GaAs

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Pour un substrat de GaAs non dopé, l’énergie du gap à température ambiante est de 1,42 eV. L'affinité électronique du GaAs, qχ (énergie nécessaire pour arracher un électron du bas de la bande de conduction jusqu’au niveau du vide) est d’environ 4.07 eV [7, 8].

Le problème majeur rencontré, lors de la fabrication des composants électroniques à base de GaAs, est l’oxydation rapide de la surface de ce semi-conducteur. Habituellement, cette oxydation n'est pas uniforme et une variété d'espèces d'oxyde différentes sont formées sur la surface de GaAs, y compris les différentes phases d’oxydes pour Ga (Ga2O et Ga2O3) [9-11] et As (As2O3 et As2O5) et les phases de composition mixte (GaAsO4) [12]. En outre l’interface oxyde/GaAs n’est pas stable thermodynamiquement, en particulier à des températures élevées, ce qui conduit à la dégradation du GaAs par la création de l’arsenic libre As⁰ qui introduit un état piège comme le montre la réaction [13]:

2 𝐺𝑎𝐴𝑠 + 𝐴𝑠₂𝑂₃ ⇒ 𝐺𝑎₂𝑂₃+ 4 𝐴𝑠⁰

III.4 Passivation des surfaces de GaAs [13]:

La passivation de GaAs présente un challenge en raison de la présence de plus d'une espèce atomique dans ce matériau semi-conducteur (Ga et As). Le caractère des liaisons pendantes sur de telles surfaces peut être prédit à partir de simples arguments de comptage d'électrons. La formation de surfaces neutres en charge signifie que les liaisons pendantes Ga tendront à être des orbitales vides tandis que les liaisons pendantes As tendront à être remplies. Une passivation efficace nécessite d'accommoder les deux types de sites. Bien que cette contrainte ait entravé la recherche sur la passivation de surface de GaAs, certains progrès ont été réalisés sur ce problème en utilisant différentes méthodes y compris la formation de couches minces de sulfure [14, 15], de séléniure [16, 17] ou de métaux nobles [18, 19].

III.4.1. Les différentes méthodes de passivation :

La passivation de GaAs peut être assurée par le moyen de plusieurs méthodes que ce soient chimiques ou par la croissance de couches minces sur la surface de GaAs.

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

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III.4.1.1.Passivation chimique de GaAs par le Chlore Cl [20]:

Il a été observé que des surfaces bien ordonnées peuvent être formées sur GaAs en trempant le substrat dans des solutions de HCl. Différentes techniques spectroscopiques ont montré la réduction de la quantité d’oxygène et la présence des liaisons Ga-Cl sur la surface de GaAs. Les spectres ont également indiqué que les surfaces ne contenaient pas d’arsenic libre As0, ce qui suggère que les surfaces préparées par ce procédé pourraient fournir une excellente plate-forme pour des réactions de fonctionnalisation chimiques ultérieures.

III.4.1.2. Fonctionnalisation de GaAs par P(CH3)3 et PCl3 [13] :

En utilisant une surface de GaAs terminée par Cl comme point de départ, on a trouvé que la triethylphosphine P(CH3)3 réagissait avec 30-50% des sites de la surface, laissant des atomes de Cl liés aux atomes de Ga à la surface. Cette surface a une faible quantité de contamination des oxydes Ga et As et ne présente pas d’arsenic libre As⁰. La réaction de la trichlorophosphine PCl3 avec la surface terminée par Cl conduit à sa couverture de 20% par P et cette surface est également presque exempte d'oxyde.

III.4.1.3. Nitruration des surfaces GaAs :

Le but de cette méthode est de créer chimiquement une couche mince de nitrure sur la surface de GaAs. Cette couche mince peut être créée en utilisant plusieurs solution chimique et nous pouvons citer par exemple :

- la nitruration électrochimique anodique en utilisant un électrolyte préparé avec du propylène glycol, du NH3 et du NH2-NH2 (21: 3: 1) [21].

- à partir d’une solution d'hydrate d'hydrazine (N2H4: H2O). En conséquence, les atomes d'azote se lient aux atomes de gallium et sont fixés aux sites de réseau précédemment occupés par des atomes d'As [22].

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62 III.4.1.4. Nitruration par voix plasma :

Ces dernières années, la nitruration de GaAs par plasma est devenue l’intérêt de plusieurs travaux de recherche en raison de son efficacité pour la croissance des semi-conducteurs de nitrure sur les substrats de GaAs [23] ainsi que pour la passivation de sa surface [24, 25].

Cette couche mince de GaN est créée en exposant la surface du GaAs à un flux d’azote actif (plasma de N2 ou de NH3). La croissance de GaN est contrôlée à l’aide de plusieurs paramètres tels que la température du substrat et la pression d’azote ou de NH3 dans le bâti.

III.4.2. Choix de GaN comme couche de passivation pour le GaAs :

Nous avons donc choisi pour notre étude, la réalisation de films minces de GaN sur GaAs à l’aide de cellules plasma de faible puissance, et contrôle in-situ par XPS de la qualité physico-chimique des couches réalisées pour une meilleure compréhension des résultats de caractérisations électriques. Lors de précédents travaux, l’équipe « Surfaces et Interfaces, de l’IP a montré que les nitrures d’éléments III-N, tel que le Nitrure de Gallium (GaN) présentent des propriétés intéressantes pour l’optoélectronique en raison de leurs grands gaps et leurs grandes mobilités électroniques. Le GaN présente un caractère réfractaire qui permet d’envisager des applications dans des conditions hostiles, à haute température, haute puissance ou à haute fréquence. De plus de ces caractéristiques, la liaison Ga-N est forte et plus stable que la liaison Ga-As. Ceci permet de passiver thermiquement et ralentir l’oxydation la surface de GaAs par quelques monocouches de GaN.

De plus, les couches minces de GaN ont eu pour effet de protéger la surface de GaAs vois à vis de l’oxydation. En effet, le GaN s’oxyde moins vite que le GaAs [26] ce qui permet la prolongation de la durée de vie des composants électroniques fabriqués à base de GaAs nitruré. Une couche mince de GaN protège le GaAs de l’oxydation et par conséquent, limite les défauts causés par les différents oxydes de Ga et As à la surface du GaAs. De la même manière, cette couche de GaN permet de limiter les défauts à l’interface lors de la réalisation de structures métal/GaAs et certains travaux ont montré que cette couche interfaciale mène à l’amélioration de la qualité électrique des composants électroniques fabriqués à base de jonction métal/GaAs [21, 27].

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