Préparation des structures

72 III.5.2.3. Pompe ionique

L’ultra-vide (10-6-10^-9 Pa) est obtenu grâce à une pompe ionique. Nous utilisons deux pompes ioniques, une dans la chambre d’analyse où la pression atteinte est de 10-8 Pa et une dans la chambre de préparation afin d’obtenir une pression de 10-7 Pa. Le principe de cette pompe consiste à ioniser les particules libres de l’enceinte par une haute tension. Et d’autre part, des aimants induisent un champ magnétique qui permet de projeter les particules ionisées sur des plaques en titane qui les adsorbent. Lors d’un étuvage, ces pompes sont chauffées afin de dessorber les particules accumulées sur les plaques de titane.

III.6. Préparation des structures :

Nous avons utilisé, dans cette étude, des substrats arséniure de gallium présentés sous la forme de plaquettes circulaires d’épaisseur 400 μm et de 2 pouces de diamètre (~50 mm). Ces substrats sont découpés et polis suivant le plan cristallographique (100), et sont dopés silicium (type n) de concentration de porteurs Nd = 4.9 × 10¹⁵ atomes /cm³. Nous avons utilisé deux processus de nettoyage de ces substrats, le premier qui nécessite à la fois un nettoyage chimique ex-situ et ionique in-situ et le deuxième un nettoyage chimique ex-situ uniquement suivi d’un recuit in-situ.

III.6.1. Désoxydation des surfaces :

III.6.1.a. Processus 1 : dégraissage chimique + bombardement ionique

Les wafers de GaAs sont stockés à l’air et présentent donc une épaisseur d’oxydes natifs importante. D’autres pollutions peuvent aussi venir altérer leur surface (autres oxydes, graisses, etc.). Il est donc nécessaire de les nettoyer chimiquement. Le processus de nettoyage chimique, que nous avons effectué, est résumé sur la figure III.10.

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

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Figure III.10 : Les étapes du nettoyage chimique ex-situ des substrats GaAs(100) [1]

Après le processus de nettoyage chimique, les substrats sont ensuite introduits dans le bâti ultravide et sont caractérisés par spectroscopie XPS. Les résultats de spectroscopies montrent la présence d’une couche d’oxyde ainsi que d’éléments carbonés [1].

Afin d’éliminer cette couche d’impuretés, nous avons effectué un nettoyage ionique en bombardant la surface des substrats avec un faisceau d’ions argon produit par le canon à ions. Ce nettoyage ionique in-situ est couramment utilisé pour le nettoyage de surfaces semi-conductrices. Les conditions de ce bombardement ont été fixées dans les travaux précédents de l’équipe « surfaces et interfaces » de l’institut Pascal (France) [36] :

 Pression d’argon dans la chambre : 1×10-4 Pa ;  Energie des ions d’argon : 1000 eV ;

 Densité du courent de faisceau : 5μA/cm ;  Durée du nettoyage : 60min ;

La figure III.11 présente les spectres XPS des substrats GaAs (100) avant et après nettoyage ionique ainsi qu’avant nettoyage chimique

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Figure III.11 : Comparaison des spectres XPS généraux avant nettoyage chimique et avant et après nettoyage ionique réalisés avec l’anode Mg. [1]

La figure III.11 illustre l’efficacité du nettoyage ionique par bombardement Ar+ en éliminant les impuretés telles que le carbone et l’oxygène. Cependant, d’après les travaux réalisés par Y. Ould Metidji [37], ce bombardement ionique va engendrer une surface riche Ga dépendant des paramètres de nettoyage. C’est pour cela qu’avant chaque expérience de nitruration, un contrôle de la surface est effectué par XPS pour vérifier l’état de celle-ci, et s’assurer qu’aucune couche de contamination ne subsiste et veiller à que l’on obtienne bien la quantité de gallium voulue.

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Figure III.12 : Illustration du bombardement ionique des surfaces du GaAs[4]

III.6.1.b. Processus 2 : Nettoyage chimique ex-situ et chauffage sous ultra-vide

Nous utilisons une méthode qui a été développée par O. E. Tereshchenko et al [38, 39] et qui a été validée dans les travaux de V.L. Alperovich et al [24]. Cette méthode consiste à utiliser un nettoyage chimique seulement afin de ne pas modifier la morphologie de la surface du GaAs(100). La méthode consiste en trois étapes :

- La préparation de la solution : mettre dans un dessiccateur du gel de silice, un bécher

avec 300 ml d’HCl très pur et un autre avec 100 ml d’isopropanol. Après deux jours l’isopropanol absorbe l’HCl et le gel de silice absorbe l’H2O libéré lors de l’évaporation de l’HCl.

- Le nettoyage des substrats : tremper l’échantillon dans le mélange HCl + Isopropanol

pendant 2 minutes et 30 secondes à l’obscurité. Cette opération est suivie par un rinçage rapide dans deux béchers qui contiennent de l’isopropanol.

- Le chauffage du substrat in-situ : le substrat nettoyé chimiquement est rapidement

introduit dans le bati ultra-vide (le temps d’introduction est crucial pour éviter la ré-oxydation de la surface) puis est chauffé à 500°C pendant 5 minutes afin d’avoir une surface riche en gallium.

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Figure III.13 : Etapes du nettoyage chimique (sans bombardement)

Afin de vérifier l’efficacité du processus 2 de nettoyage, un suivi XPS est réalisé avant et après le nettoyage (figure III.14). On peut remarquer l’absence du pic C1s et la disparition du pic O1s à l’énergie de liaison 531 eV ce qui signifie l’efficacité de cette méthode de nettoyage chimique.

Figure III.14 : Spectres généraux XPS de la surface de GaAs avant et après nettoyage (processus 2)

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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.