Les sources

Le bâti d'épitaxie qui a été utilisé est équipé de diérents modèles de sources pour pouvoir déposer aussi bien des matériaux semiconducteurs, que des diélectriques et des métaux. Certaines sources sont dédiées au dopage des semiconducteurs. Dans le cadre de ce manuscrit, les sources qui nous intéressent sont les sources d'évaporation de germa- nium et manganèse, et dans une moindre mesure la cellule d'évaporation d'aluminium et le canon d'évaporation de silicium. Les sources d'évaporation de germanium et man- ganèse sont des cellules à eusion dites de Knudsen (cf. g. 2.3).

Fig. 2.3 : Représentation schématique d'une cellule d'évaporation de Knudsen à double lament

Ces cellules sont constituées d'un creuset en nitrure de bore pyrolitique (PBN) de forme allongé, au fond duquel se trouve la charge de matériau à évaporer. Un lament permet le chauage du creuset, et un thermocouple en contact avec le creuset permet le contrôle de la température de la charge. L'évaporation des matériaux est contrôlée par la température des cellule et l'ouverture des caches situés devant les cellules. Dans la pratique, pour les deux cellules utilisées, on dispose de deux laments, situés en bas et en haut du creuset de sorte que l'on peut surchauer la partie haute du creuset pour éviter la recondensation de la vapeur de germanium ou manganèse. La géométrie particulière des cellules de Knudsen permet l'établissement d'un équilibre solide-vapeur du matériau à évaporer (ou liquide-vapeur si l'on est au dessus du point de fusion). Le fait que l'on puisse considérer être à l'équilibre thermodynamique dans la cellule nous permet de relier de façon simple la pression partielle du matériau à évaporer (égale à la pression de vapeur saturante au niveau du creuset) avec la température de la charge. L'évolution de la pression de vapeur saturante avec la température est donnée par la relation de Clapeyron

ln(Psat) = −

∆He

RT + cte (2.1)

où Psat est la pression de vapeur saturante, R la constante des gaz parfaits, T la tem-

pérature en Kelvin, et ∆He l'enthalpie de vaporisation du matériau (que l'on supposera

constante dans la gamme de température considérée).

Sur la gure 2.4, on a représenté la pression de vapeur saturante en fonction de la température dans un graphe ln(P ) = f(1

T)pour les éléments germanium et manganèse.

L'intérêt de connaître cette relation réside dans le fait que le ux incident sur l'échan- tillon est strictement proportionnel à la pression partielle dans la cellule et donc à la pression de vapeur saturante. Le rapport entre les deux est uniquement fonction de la géométrie de la cellule et de la chambre d'épitaxie. La loi décrivant l'évolution du ux avec la température est donc à un facteur multiplicatif près la même que pour la pression de vapeur saturante, et peut donc s'écrire sous la forme :

Fig. 2.4 : Diagramme théorique présentant la pression de vapeur saturante (échelle loga- rithmique) en fonction de la température (échelle inverse) pour les éléments germanium et manganèse. Ces courbes ont été calculées à partir de la relation 2.1 pour les valeurs suivantes issues de la littérature : ∆HGe

e = 343kJ.mol−1

et ∆HM n

e = 218 kJ.mol

−1 _{et en prenant comme référence la pression de va-}

peur saturante à la température de fusion de chacun des deux éléments

Φ = αe−∆HeRT (2.2)

où Φ est le ux d'atomes incidents et α une constante positive liée à la géométrie. Calibration des sources

Pour la calibration réelle des sources, on dispose de deux moyens pour remonter à la courbe expérimentale Φ(Tcellule) :

 Le premier consiste à utiliser une jauge de type Bayart-Alpert située sur le bras manipulateur. En plaçant cette jauge devant une cellule, on peut mesurer la pres- sion totale, et par diérence avec la pression résiduelle, la pression partielle de l'élément évaporé dans le ux de la cellule. L'évolution de cette pression avec la température de la cellule nous donne la loi d'évolution du type décrit par l'équation 2.2. On obtient grâce à cette méthode l'enthalpie ∆He de vaporisa-

tion (∆HGe

e = 314 kJ.mol

−1 _{et ∆H}M n

e = 195 kJ.mol

−1_{) qui est du même ordre de}

grandeur que les valeurs issues de la littérature, mesurées aux points de fusion, et qui ont permis le tracé des courbes de la gure 2.4

 Pour obtenir une valeur absolue du ux d'atome arrivant sur la surface de l'échan- tillon, il est nécessaire de faire une mesure des quantités déposées sur une surface. On peut pour le germanium utiliser les oscillations du Rheed lors de la croissance de Ge sur Ge(111) qui nous donne une mesure extrêmement rapide et précise de la vitesse de dépôt (cf. partie 2.1.5) ; cette vitesse de croissance peut ensuite être vériée ex situ par des mesures d'épaisseur en réectivité de rayons X ou microscopie électronique en transmission. Pour le manganèse en revanche, on ne

quantie pas directement la quantité de manganèse déposée, mais la concentra- tion de manganèse dans une couche de GeMn dont la vitesse de croissance de germanium est connue. Cette quantication a été réalisée par deux méthode : la uorescence de rayons X (EDX) dans un microscope électronique à balayage et la retrodiusion Rutherford (RBS). Ces deux méthodes présentent des incertitudes sur la concentration de l'ordre du pourcent, et donnent des résultats comparables. Connaissant la loi d'activation qui régit l'évolution de ux avec la température, on peut à partir de quelques points expérimentaux extrapoler les vitesses de dépôt de ger- manium et manganèse dans une large gamme de température.

La source de silicium est d'un type complètement diérent. L'évaporation du silicium requiert des températures telles que le chauage par conduction dans un creuset est inapproprié. La technique utilisée consiste donc à chauer une charge de silicium par bombardement avec un faisceau électronique de 100mA accéléré par une tension de 10 kV. Cette technique permet d'obtenir localement sur la charge des températures susantes pour permettre son évaporation. Le contrôle de la vitesse de dépôt du silicium se fait grâce à une balance à quartz située dans le ux du canon d'évaporation. On ne détaillera pas plus le fonctionnement de cette source dans la mesure où elle n'a été que peu utilisée dans le cadre de ce travail de thèse.