I. Le GaAs comme matériau non-linéaire pour l’infrarouge
II.2 La fabrication de substrats germes GaAs à QAP de diamètre deux pouces
II.2.2 Les phases d’amincissement
Cette étape a pour objectif de révéler la couche GaAs (00-1) reportée en générant la plus faible densité de défauts. Il convient de déterminer les techniques les plus appropriées à l’amincissement des couches successives du contre-substrat. Nous allons voir qu’une modification structurelle de ces contre-substrats peut permettre d’optimiser la qualité de surface de la couche (00-1).
II.2.2.1 Les premiers résultats
Une fois l’adhésion moléculaire réalisée, la face arrière du substrat vierge est collée sur un galet épais en verre de diamètre trois pouces. Il s’agit dans un premier temps de supprimer le substrat hôte sur lequel a été effectuée la croissance MOVPE. L’amincissement d’une telle épaisseur (350 µm) avec les méthodes classiques d’attaques chimiques prendrait beaucoup trop de temps. Nous proposons donc de supprimer la quasi-totalité du substrat par un polissage mécanique. Une solution abrasive à base de grains de diamant (diamètre 12 µm) permet d’éliminer environ 330 µm d’épaisseur de GaAs en une dizaine de minutes en conservant une très bonne planéité. Le reste de la couche (20 µm) peut ensuite être aminci par voie chimique.
Les solutions humides généralement utilisées pour le GaAs sont constituées de trois éléments que sont l’acide, l’oxydant et l’eau. Cette dernière joue le rôle de diluant et procure une très grande latitude dans la cinétique de gravure. Deux types de solution chimique sont utilisés dans notre cas pour amincir les 20 µm restants du contre-substrat GaAs. Une première, à base d’acide sulfurique H2SO4, permet d’atteindre des vitesses de gravure de 8 µm/min pour la composition suivante : H2SO4:H2O2 :H2O (1 : 8 : 1). L’étalonnage de cette vitesse est réalisé sur une surface de type (001). Le substrat à amincir est trempé dans la solution pendant deux minutes avant d’être rincé abondamment dans de l’eau désionisée puis séché à l’azote. La couche d’arrêt n’est pas encore atteinte. Cette vérification est visuelle : le GaAs est d’aspect plus mat que le GaInP. La deuxième solution utilisée, moins rapide, est une solution à base d’acide phosphorique. La composition H3PO4:H2O2 :H2O (3 : 1 : 20) permet de limiter la
vitesse d’attaque à 0,3 µ m/min. Le substrat est plongé dans la solution jusqu’à l’apparition de la couche d’arrêt. Une surgravure d’environ une minute garantit l’élimination totale du GaAs. Le processus de rinçage et de séchage est identique à celui effectué précédemment.
Le substrat est ensuite décollé de son support en verre par trempage dans des bains de trichloréthylène. Il est préférable de réaliser cette étape à ce moment précis du processus afin de préserver la couche utile GaAs (00-1) de toute pollution ou de toute trace de solvant. La dernière phase d’amincissement consiste à éliminer la couche d’arrêt GaInP. La solution utilisée est de l’acide chlorhydrique fumant (solution de chlorure d’hydrogène saturée à 33% dans l’eau). La vitesse d’attaque est étalonnée à 0,6 µm/min. Le substrat y est trempé pendant une minute. La couche reportée GaAs (00-1) est alors révélée (Figure II-21).
Figure II-21: Description des différentes étapes d’amincissement utiles à la révélation de la couche GaAs (00-1).
La Figure II-22 présente un résultat caractéristique de l’état de surface de la couche révélée GaAs (00-1) obtenue après les différentes phases d’amincissement. Les défauts de surface sont beaucoup trop importants pour pouvoir prétendre fabriquer des structures GaAs à QAP de qualité suffisante pour l’étape suivante de croissance épaisse. Nous proposons, à travers l’étude qui suit, d’optimiser cette qualité en s’orientant vers de nouvelles structures de contre-substrats.
Galet en verre Substrat hôte GaAs
Substrat GaAs 350 µm
1. L’ensemble est collé par de la colle Sticky-Wax
sur un substrat de verre .
20 µm
Galet en verre Substrat hôte GaAs
2. Amincissement de 330 µm de substrat GaAs par
polissage mécanique.
Galet en verre Substrat hôte
Quelques micromètres
3. Attaque chimique « rapide » du GaAs par la
solution H2SO4-H2O2-H2O : la couche d’arrêt n’est pas encore atteinte.
4. Attaque chimique plus « lente » du GaAs
par la solution H3PO4- H2O2-H2O jusqu’à l’apparation de la couche d’arrêt GaInP.
Substrat hôte GaAs Galet en verre
Substrat hôte GaAs (001)
5. L’ensemble est d’abord décollé du galet en verre puis la couche d’arrêt est
éliminée dans la solution HCl fumant : la couche GaAs (00-1) est révélée. [00-1]
Figure II-22 : (a) Image (vue de dessus) de l’état de surface GaAs (00-1) obtenu après différentes phases d’amincissement. Une zone caractéristique de la surface est analysée au microscope optique (encadré blanc). (b) On observe sur la surface une quantité non négligeable de défauts (points noirs). (c) La plupart de ces défauts correspondent à des gravures.
II.2.2.2 Des structures de contre-substrats à deux couches d’arrêt Discussion
Des mesures de rugosité de surface réalisées sur le substrat de la Figure II-22 (a) montrent que la majorité des défauts (Figure II-22 (c)) sont des gravures profondes qui atteignent le substrat hôte GaAs. L’apparition de ces défauts peut s’expliquer de la manière suivante : un défaut cristallin constitue un site d’attaque privilégié pour la solution chimique utilisée (ceci est d’autant plus vrai que la vitesse de gravure est élevée). La solution d’attaque acide vient alors percer le GaInP et graver le GaAs (00-1) à l’endroit du défaut (Figure II-23).
500 nm 50 nm
Défauts de gravure
(a)
Figure II-23 : Hypothèse d’apparition de défauts de gravure dans la couche GaAs (00-1) reportée.
Comment limiter alors ces défauts de gravure ? Une première solution consisterait, par exemple, à diminuer au maximum le temps de gravure en amincissant le plus possible le substrat GaAs par polissage mécanique. La technique est relativement risquée compte tenu de la différence d’ordre de grandeur entre les épaisseurs des couches épitaxiées (centaine de nanomètres) et la tolérance minimale du polissage (dizaine de micromètres). Nous proposons plutôt de modifier la composition de nos contre-substrats en ajoutant une deuxième couche d’arrêt (Figure II-24). Le temps nécessaire à la gravure des 20 µm du substrat GaAs n’est, cette fois-ci, pas suffisant pour percer deux couches d’arrêt GaInP (Figure II-25). Notons de surcroît que la probabilité de trouver deux défauts en regard dans les deux couches GaInP est quasi-nulle.
Figure II-24 : Composition d’un contre-substrat à deux couches d’arrêt.
Figure II-25: Influence de la structure d’un contre-substrat à deux couches d’arrêt; (a) la solution chimique grave de façon privilégiée le défaut cristallin ; (b) le temps d’amincissement du substrat n’est plus suffisant pour que la solution de gravure puisse percer complètement la deuxième couche d’arrêt GaInP. La couche GaAs (00-1) ne peut pas être atteinte.
Substrat hôte GaAs quelques µ m
Défaut cristallin
Couche GaAs (00-1) gravée Attaque privilégiée de la solution chimique Substrat GaAs Couche GaAs [001] : 100 nm 2ème couche Ga0.51In0.49P : 500 nm Couche GaAs : 200 nm 1ère couche Ga0.51In0.49P : 900 nm
Couche tampon GaAs : 300 nm Substrat GaAs
Substrat hôte GaAs
(a) (b)
Défaut cristallin
Substrat hôte GaAs
Résultats
De nouveaux tests d’amincissement sont réalisés. Les contre-substrats à deux couches d’arrêt sont fabriqués dans le même bâti de croissance MOVPE que celui utilisé pour la réalisation de contre-substrats à simple couche d’arrêt. On vérifie ensuite que la modification de structure de ces contre-substrats ne change pas les paramètres définis dans l’étape d’adhésion moléculaire. Les résultats de collage sont en effet identiques à ceux obtenus sur la Figure II-18.
L’ensemble adhéré est collé sur un galet en verre pour subir la première étape de polissage mécanique. L’amincissement chimique des 20 µm du substrat GaAs est effectué de la même manière que précédemment : le substrat est trempé successivement dans la solution H2SO4 -H2O2 :H2O (1 : 8 : 1) puis dans l’acide phosphorique H3PO4 :H2O2 :H2O (3 : 1 : 20) jusqu’à l’apparition de la première couche d’arrêt. L’acide chlorhydrique fumant vient ensuite graver cette couche. La configuration obtenue à ce moment de l’étape n’est plus du tout la même que dans le cas d’une stratégie à simple couche d’arrêt. La couche de GaAs intercalée entre les deux couches de GaInP est suffisamment fine (200 nm à comparer à 20 µm) pour considérer que la solution H3PO4 :H2O2 :H2O (3 : 1 : 20) n’a pas le temps de percer entièrement la deuxième couche de GaInP de 900 nm (Figure II-25). L’ensemble aminci est ensuite décollé de son galet en verre. La dernière couche d’arrêt est encore une fois éliminée par la solution d’acide chlorhydrique fumant. L’état de surface final de la couche GaAs (00-1) révélée est présenté sur la Figure II-26. La quantité de défauts est négligeable par rapport à celle obtenue sur la Figure II-22. La qualité de la couche est maintenant suffisante pour pouvoir continuer le processus de fabrication de substrats germes GaAs à QAP.
La dernière étape technologique consiste alors à définir et graver les réseaux d’orientations cristallographiques inversées, assurant ainsi la modulation périodique du coefficient non-linéaire.
Figure II-26 : (a) Image (vue de dessus) de l’état de surface de la couche GaAs (00-1) obtenue après différentes phases d’amincissement du contre-substrat à deux couches d’arrêts. La surface encadrée (encadré blanc) est analysée par grossissements optiques. (b) et (c) : La couche présente une quantité de défauts très inférieure à celle obtenue sur la Figure II-22.