Reprise d’épitaxie de GaAs sur des surfaces avec masque

micro structurés de SiO

/Si

N

4.4.1 Etat de l’art

L’épitaxie sur des surfaces partiellement masquées, généralement par SiO2, a été beaucoup étudiée au long du développement de l’épitaxie. Toutefois, ces démonstrations ont pendant longtemps été faites pour l’épitaxie en phase vapeur. En effet, pour cette technique, les espèces adsorbées, moléculaires, ne se décomposent que sur les zones de surfaces non recouvertes par SiO2. La croissance sélective est donc obtenue naturellement. En épitaxie par jets moléculaires dans les conditions usuelles expérimentales, au contraire, les espèces se condensent à la surface, même sur SiO2 et la croissance du III-V a lieu sur toute la surface ; la qualité du matériau y sera très dégradée, polycristalline. Des conditions expérimentales qui conduisent à la sélectivité de l’épitaxie de GaAs ont pu toutefois être identifiées. Les premières démonstrations consistaient à intercaler entre le substrat et les sources un masque, ce qui était très délicat. [Nagata 1977] En 1987, K. Okamoto et al [Okamoto 1987] ont démontré que la croissance sélective du GaAs pouvait être obtenue à condition d’opérer l’épitaxie à 700°C, à une température où la désorption des espèces adsorbées de Ga est effective. Par la suite, T. Sugaya et al [Sugaya 1992] ont obtenu une sélectivité à 580°C en utilisant une faible vitesse de croissance (0,28µm/h) et surtout en exploitant les propriétés surfactantes de l’hydrogène. Ils ont démontré également que la sélectivité de la croissance de GaAs était meilleure si le masque était du Si3N4 plutôt que du Si02. Plus récemment, X. Mei et al [Mei 2002] ont réalisé la croissance sélective de boîtes quantiques dans des surfaces de GaAs recouvertes d’une couche mince à nano-pores d’Al2O3 obtenue à l’aide de la technique d’anodisation d’aluminium (cf chapitre 2). T. Schallenberg et al [Schallenberg 2004] ont démontré la possibilité d’utiliser un masque surélevé obtenu, après lithographie optique de bandes micrométriques, par attaque préférentielle d’une couche de Ga0,4Al0,6As (1,4 µm) recouverte d’une couche de GaAs (140 nm), pour localiser des boîtes d’InAs. Mais depuis 2001, la majorité des articles publiés sur la croissance sélective de GaAs par EJM l’ont été par l’Université de New Mexico. Ces auteurs ont mené une étude systématique des conditions et des possibilités offertes par l’épitaxie localisée de GaAs sur des surfaces GaAs avec masques de SiO2. Ils ont ainsi montré que l’évaporation de Ga gouvernait le mécanisme de sélectivité, la surpression d’arsenic ne jouant aucun rôle, et que l’utilisation d’une faible vitesse de croissance pour une gamme de température de Ts=595-630°C conduisait à une sélectivité parfaite de la croissance dans le cas de motifs nanostructurés [S. C. Lee 2001]. Ils ont par la suite précisé les caractéristiques morphologiques des nano-boîtes de GaAs ainsi réalisées. [S. C. Lee 2002] et démontré la réalisation de nanofils de GaAs. [S. C. Lee 2005A] Enfin, ils ont également explicité les conditions de croissance sélective de Ga(In)As sur surfaces microstructurées [S. C. Lee 2004] et montré qu’il était possible de d’obtenir des micromurs de GaAs orientés [110]. [S. C. Lee 2005B]

Chapitre 4 : Epitaxie sur surface structurée

(a) (b) (c)

Figure 96 : Résultats obtenus à l’Université de New Mexico sur l’épitaxie sélective de Ga(In)As/ sur surface de GaAs avec masques de SiO2 : croissance de nanoplots [S. C. Lee 2002] (a) et de nanofils [S. C. Lee 2005] (a) ; obtention de micromurs orientés [110] [S. C. Lee 2005B] (c)

Séduits par ces résultats, nous nous penchés sur l’application de notre technique de préparation par plasma à la croissance sélective de GaAs sur isolant. Nous avons en effet en main une technique de préparation qui devrait être très puissante en vue de cette application. En effet, nous savons (cf chapitre 2) que le plasma O2 permet de nettoyer la surface de SiO2 de ces résidus de résine, et qu’il permet de former un oxyde propre à la surface du GaAs. Ce traitement devrait donc être efficace pour la préparation de surfaces de GaAs recouvertes d’un masque de SiO2 micro ou nanostructuré en vue de l’épitaxie localisée de Ga(In)As. Mais, en plus, nous avons montré que le traitement par plasma micro-onde O2SF6 permet d’éliminer le Si3N4 en surface du GaAs. Par conséquent, nous devrions être en mesure de supprimer la couche de Si3N4 après la reprise d’épitaxie pour reprendre une nouvelle fois l’épitaxie sur les plots de Ga(In)As dégagés par attaque plasma O2 :SF6. Nous avons mené l’étude préparatoire à cette démonstration.

4.4.2 Echantillons réalisés

Pour mener cette étude, nous avons décidé d’utiliser le nitrure de silicium, Si3N4, comme diélectrique plutôt que l’oxyde de silicium, SiO2. En effet, les publications indiquent une meilleure sélectivité pour ce diélectrique. [Sugaya 1992] Une couche de Si3N4 de 50nm d’épaisseur a donc été déposée par PECVD sur une surface de GaAs. Après avoir formé des motifs linéaires de largeur micrométrique par photolithographie optique dans une résine photosensible, nous avons transféré le motif de la résine au diélectrique par une attaque dans une solution d’acide fluorhydrique tamponnée (buffer HF) diluée jusqu’à la surface sous-jacente de GaAs. Nous avons contrôlé cette phase par une calibration préliminaire et par observation par microscopie à force atomique. La Figure 97 illustre la structuration obtenue à la fin des étapes technologiques préparatoires.

Figure 97 : Image AFM de la structuration de la surface par le dépôt de Si3N4

Deux épitaxies ont alors été réalisées. Un échantillon a été laissé tel quel, sans traitement particulier avant épitaxie, sinon la désoxydation thermique. Sur le second a été appliqué le traitement plasma ex-situ O2 et in-situ H. 50nm de GaAs ont été épitaxiés dans les conditions de croissance sélective proposées par l’Université de New Mexico (TS=630°C et 0,1µm/h) pour SiO2-GaAs.

Les échantillons épitaxiés ont été observés à l’aide des microscopies électronique à balayage (MEB) et à force atomique (AFM). Les résultats obtenus sont présentés sur la Figure 98. L’échantillon A, qui a été désoxydé thermiquement (A), présente une morphologie de surface très perturbée. Ce résultat provient de la contamination de la surface de GaAs avant l’épitaxie. L’échantillon B présente une morphologie de surface meilleure que celle du précédent. Les traitements ex-situ par plasma microonde O2 et in-situ par plasma d’hydrogène améliore nettement la morphologie finale de la surface. Toutefois, la morphologie de l’échantillon B indique qu’une amélioration doit être encore apportée. Des essais sont actuellement en cours dans l’équipe pour réaliser cette optimisation.

Chapitre 4 : Epitaxie sur surface structurée

A

B

Figure 98 : Résultats obtenus après reprise sur sélective sur GaAs sur les surfaces : (A) non traitées après attaque chimique et (B) traitées à l’aide de notre technique de préparation

4.5 Conclusion

Nous avons présenté dans ce chapitre les résultats que nous avons obtenus sur la reprise d’épitaxie sur surfaces structurées à échelle micro- et nanométriques, conformes à la littérature. Les tendances sont du même type, pour les deux échelles de structuration. Les morphologies de surface résultent de la compétition entre les différents plans adjacents pour l’incorporation des espèces adsorbées. Nous avons trouvé une grande différence dans le développement des motifs orientés dans deux directions perpendiculaires que nous avons reliée à l’anisotropie des longueurs de diffusion des espèces III adsorbées dans ces deux directions. Les terrasses s’étendent quand les motifs sont orientés selon [110], alors que des pointes se forment pour les motifs orientés perpendiculairement, selon [-110]. Nous avons montré qu’on peut contrôler le développement de la morphologie en sélectionnant les plans des facettes initiaux. Nous avons observé la localisation des boîtes qui se produit également différemment suivant l’orientation des motifs. Dans le cas des échantillons structurés à l’échelle nanométrique, l’utilisation d’une couche ternaire contrainte rend possible l’organisation dirigée des boîtes même quand la surface est planarisée. Nous avons observé par spectroscopie de photoluminescence une émission correcte sur les structures à puits et boîtes quantiques. Des études complémentaires sont nécessaires pour affiner ces résultats. Nous nous sommes ouvert une étude sur la croissance sélective de GaAs sur surfaces Si3N4 -GaAs qui permettrait de réaliser des motifs de très grands pas. Les résultats préliminaires que nous avons obtenus doivent toutefois être complétés.