HAL Id: jpa-00245618
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Submitted on 1 Jan 1987
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α Rh2As : un candidat possible pour la réalisation de structures épitaxiées (composé métallique)/GaAs
M. Secoue, B. Guenais, A. Guivarc’H
To cite this version:
M. Secoue, B. Guenais, A. Guivarc’H. α Rh2As : un candidat possible pour la réalisation de structures
épitaxiées (composé métallique)/GaAs. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique
/ EDP, 1987, 22 (8), pp.845-850. �10.1051/rphysap:01987002208084500�. �jpa-00245618�
03B1 Rh2As :
uncandidat possible pour la réalisation de structures épitaxiées (composé métallique)/GaAs
M.
Secoue,
B. Guenais et A. Guivarc’hCNET
LAB/ICM/MPA,
route deTrégastel,
22300 LannionCedex,
France(Reçu
le 16janvier
1987,accepté
le 5 mars1987)
Résumé. 2014 Dans un bâti
d’épitaxie
parjets
moléculaires Riber 2300, nous avons réalisé descodépôts
de Rh etd’As sur des substrats de silicium
passivé
et de GaAs(100)
maintenus à destempératures
variant de 0°C à 330°C. Nous montronsqu’il
estpossible
de réaliser des couches mincespolycristallines
de03B1 Rh2As, composé métallique
de structure cristalline trèsproche
de celle de GaAs. Ces couchesqui
neprésentent
pas d’orientationpréférentielle
sur un substratamorphe,
sont fortement texturées sur GaAs( [100 ] Rh2As// [100]
GaAs).
Leur faible résistivité(~
2503BC03A9cm)
estcompatible
avec une utilisation enmicro-électronique.
Lorsque
les substrats de GaAs sont maintenus à unetempérature supérieure
à 200 °C lors ducodépôt,
l’interaction directe du Rh avec le substrat conduit à la formation du
composé
RhAs.Abstract. 2014 In a MBE 2300 Riber set up, we carried out Rh and As
codepositions
onto oxidized silicon and(100)
GaAs substrates at temperaturesranging
from 0 °C to 330°C. We show that it ispossible
to obtainpolycrystalline
thin films of03B1 Rh2As,
a metalliccompound
which exhibits the samecrystalline
structure likeGaAs. These
layers,
which have nopreferential
orientation on anamorphous
substrate, arehighly
textured ona GaAs substrate
( [100 ] Rh2As//[100] GaAs)
and exhibit a lowresistivity (~
2503BC03A9cm),
which is consistent with microelectronic deviceapplications.
For GaAssubstrates,
at temperatureshigher
than 200 °C therhodium
directly
interacts with the substrate and leads to the formation of the RhAscompound.
Classification
Physics
Abstracts73.40N
1. Introduction.
Les nouvelles
possibilités
offertes par lescomposants
fondés sur les structures à couchemétallique
enter-rée et les études
physiques
sur les multicouches métal/semiconducteur(M/SC)
sont àl’origine
desnombreuses recherches faites en vue
d’épitaxier
desfilms
métalliques
continus sur des substrats SC. Les travaux surl’épitàxie
de siliciures sur silicium[1, 2],
ont
déjà
conduit à la réalisation de transistors à basemétallique
enterrée[3, 4].
La situation dans ledomaine des semiconducteurs
composés
est moinsavancée,
car le métal ou lecomposé métallique
àépitaxier
doivent êtrethermiquement
stablesjusqu’à
500°-600 °C pour
permettre
uneréépitaxie
du SC.Plusieurs solutions au
problème
ont étéenvisagées,
en
particulier
sur GaAs :- Le
dépôt
de couches de métauxs’épitaxiant
sur GaAs tels que
Al, Ag
et Fe[5].
Mais la faiblestabilité des structures formées et l’accord de maille
relativement médiocre n’ont pas
permis
laréépitaxie
du GaAs.
- Le
dépôt
de métaux que l’on fait volontaire- mentinteragir
avec le substrat dans le but d’obtenir par interdiffusion enphase solide,
descomposés
dutype Mx(GaAs)y équivalents
aux siliciures sur Si.Les ternaires obtenus à ce
jour: Pd5(GaAs)2, Pd4GaAs [6], Ni2GaAs, Ni3GaAs [7, 8], Co2GaAs [9]
ne sont niépitaxiés
nithermiquement
stables enprésence
de GaAs(100).
La seuleexception
concerne le
Ni2GaAs
sur GaAs(111).
- Le
codépôt
de silicium et d’un métal pour obtenir un siliciure. Les siliciuresthermiquement
stables en
présence
deGaAs,
étudiésjusqu’à présent (CoSi, WSSi3, TaSi2 [10, 11])
nes’épitaxient
pas sur le substrat. Leur utilisation pourracependant
êtreenvisagée
comme celle de W[12],
sous forme decouches minces
(~ 100 A ) discontinues,
pour la réalisation decomposants
à baseperméable.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01987002208084500
846
Une autre voie
possible
consiste àdéposer
uncomposé métallique susceptible
des’épitaxier
sur lesemiconducteur. A notre
connaissance,
le seul travailde ce
type publié,
est celui de J. R. Lince et R. S.Williams
[13] qui
ontdéposé AuGa2
sur GaSb(écart
de maille ~
0,5 %).
Notre démarche aconsisté,
nonpas à trouver un semiconducteur
susceptible
deservir de substrat pour
l’épitaxie
d’unalliage
connu,mais au contraire à rechercher un
composé
métalli-que
capable
des’épitaxier
sur leGaAs,
semiconduc-teur
composé
leplus
utilisé. Une étudebibliographi-
que a fait
apparaître
l’arséniure de rhodiuma Rh2As
comme un candidat
potentiel.
Cet arséniure à carac-tère
métallique possède
eneffet,
sous la forme a,une structure de
type
antiCaF2
peu différente de celle de GaAs avec unparamètre
de maille très voisin(aGaAs
= 5.6528A
etaaRhzAs
=5,6753 A
àtempérature ambiante,
soit un écart due -0,4 %).
De
plus a Rh2As
et GaAs ont le même sous-réseauarsenic,
legallium occupant
un sitetétraédrique
surdeux dans GaAs alors que le rhodium occupe tous les sites
tétraédriques
dansa Rh2As (au-dessus
de683 °C
Rh2As adopte
une structure différente(3Rh2As
nonapparentée
àGaAs). Après
une étudedu matériau massif
(paramètre
demaille,
coefficientd’expansion thermique) [14, 15],
nous avonscommencé à étudier les
dépôts
dea Rh2As
encouche mince sur GaAs. Cet article
présente
lespremiers
résultats obtenus.2. Procédure
expérimentale.
2.1 PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS. - Nous
avons utilisé pour ce travail un bâti
d’Epitaxie
par Jets Moléculaires(EJM)
Riber MBE 2300 RDauquel
a étéajouté
un canon à électrons Airco- Témescalpermettant l’évaporation
de métaux réfrac- taires. Enplus
du substrat de GaAs(100)
semi-isolant
préparé
suivant laprocédure classique
pourl’EJM,
nous avonssystématiquement
collé sur leporte-échantillon (à
l’aided’indium),
un morceau de siliciumpassivé (--
2 000A SiO2).
Lesdépôts
sontainsi réalisés dans des conditions d’ultravide
(-- 10-10 torr)
et simultanément sur le GaAs mono-cristallin et sur un substrat
amorphe, chimiquement inerte,
isolant et relativementléger
parrapport
au Rh et à l’As. Dans la chambre dedépôt,
leséchantillons sont chauffés
jusqu’à ~
620 °C sous fluxd’arsenic
(apparition
d’une reconstruction(2 x 4 )
de la surface
GaAs) puis
redescendusjusqu’à
latempérature T,
àlaquelle
doit être réalisé ledépôt.
Il convient de noter que la
température Ts
est cellemesurée au
thermocouple placé
derrière leporte-
échantillon en rotation : elle nereprésente en
faitqu’une
valeurapprochée
de latempérature
réelledes substrats estimée à ± 20 °C.
Les
dépôts
d’arséniures de rhodium sont obtenusen
exposant
les substrats à des flux simultanés de Rhet d’As. Le flux de
Rh, provenant
du canon à électronsplacé
sous leporte-substrat,
arrive sur leséchantillons sous incidence
oblique (~ 20° ).
Lavaleur du flux est
repérée
à l’aide d’unquartz.
Leflux d’arsenic est obtenu à l’aide de cellules
d’évapo-
ration
classiques
en EJM(Riber
CBN 125 ou135).
Ilest
dirigé
vers les échantillons en mêmetemps
que le flux deRh,
defaçon
à obtenir descomposés
Rh-As.Ce flux n’affecte pas la mesure du flux de Rh sur le
quartz ;
il est un ordre degrandeur plus
faible queceux utilisés pour la croissance de
GaAs,
d’où lesdifficultés pour le maîtriser à mieux que 30 %
près.
Tous les échantillons dont il est
question
dans cetarticle
correspondent
à desdépôts
de ~1017 Rh/cm2
à un flux de 4 x
1014 Rh/cm2/s (soit l’équivalent
de150
A
de Rh pur à v =0,6 A/s).
La
quantité
totale de Rhdéposée
étanttoujours
lamême,
lesdépôts
sont alors d’autantplus épais
que lescomposés
sontplus
arséniés : à 150A
de Rhcorrespondent
240A
dea Rh2As
et ~ 320A
deRhAs.
2.2 CARACTÉRISATIONS. - En
plus
destechniques d’analyse in
situ dont nousdisposons (diffraction électronique
en incidence rasante,spectroscopie Auger),
les échantillons ont été étudiés ex situ par diverses méthodes :- la méthode des
quatre pointes alignées
donnela résistance
superficielle Ro
des couchesdéposées,
tant sur GaAs S.I. que sur Si
passivé ;
- la rétrodiffusion d’ions
He+
de 2 MeV fournit lacomposition
ducodépôt (rapport Rh/As)
sursilicium et les
quantités
de Rh et d’Asdéposées (d’où
la valeur des flux etl’épaisseur
descouches).
La
comparaison
desspectres
sur siliciumpassivé
etGaAs conduit à la mise en évidence
rapide
d’éven-tuelles interactions avec le substrat de
GaAs ;
- la diffraction des rayons X en incidence rasante
permet
d’identifier lesphases
cristallinesmajoritaires
et de mettre en évidence les textures
perpendiculai-
res au
plan
du substrat. Lacomparaison
entre lesdiagrammes correspondant
aux substratsamorphe
etmonocristallin montre les effets d’orientation liés au
substrat ;
- la
Microscopie Electronique
par Transmission(MET)
fournit des informations sur la forme desgrains,
leur taille et leurorientation,
tantperpendi-
culairement au
plan
du substrat que dans leplan
dusubstrat. Elle
permet
deplus
de détecter de faibles traces decomposés.
3. Résultats
expérimentaux.
Dans ce
paragraphe
nousprésentons
successive- ment les résultats concernant lescodépôts (Rh
+As )
sur substratamorphe (silicium passivé)
et sur GaAs monocristallin.
3.1 CODÉPÔTS
(Rh + As)
SUR Si PASSIVÉ. - Cescodépôts
ont été réalisés avec un flux de rhodium constant, pour des valeurs variables du flux d’arsenic et de latempérature
du substrat(0 °C ~
T,:5
330°C ).
Le substrat dans ce casn’interagit
paschimiquement
avec les flux d’As et de Rh et, du fait de l’étatamorphe,
n’influence pas l’orientation desgrains
de la couche mincedéposée.
La rétrodiffusion d’ions
He+ permet
de détermi-ner la concentration relative des couches en Rh et en
As. Sur les
spectres
de lafigure 1,
donnés à titred’exemples caractéristiques,
on voit que les contribu- tions de Rh et d’As sont nettementséparées ;
celledu substrat de Si se trouve à
plus
basseénergie
etn’apparaît
pas sur lafigure.
Lerapport
des concen-trations
atomiques Rh/As
se déduit directement de la surface despics,
il estégal
dans un cas à1,6
±0,15,
et dans l’autre à2,4
±0,15.
Nous avons considéré par la suite que pour unetempérature T, donnée,
lerapport Rh/As
ducodépôt
sur Sipassivé
étaitcaractéristique
durapport
des flux.Fig.
1. -Spectres
de rétrodiffusion d’ions He+ 2 MeVcorrespondant
à descodépôts
de Rh et d’As àTs
= 180 "Csur Si
passivé.
[2
MeV He+ ionsbackscattering
spectra of Rh and Ascodepositions
atT,
= 180 °C onto an oxidized siliconsubstrate.]
Le
diagramme
derayons X correspondant
àRh/As =
2(Fig. 2a)
montre que lecodépôt
estconstitué de
a Rh2As
non texturé. Cettephase
estobservée sur les échantillons pour
lesquels Rh/As
= 2 ±0,3,
enprésence parfois
d’autrescomposés
en faiblequantité. Lorsque Rh/As
estproche
del’unité,
lediagramme
obtenucorrespond
à du RhAs non texturé.
Sur la
figure
3 ont étéreportées
les valeurs deRa
en fonction de lacomposition
descodépôts
pour diverses valeurs deTs.
Ilapparaît,
queRo
passe parFig.
2.- Diagramme
de rayons X en incidence rasante obtenus sur descodépôts
de Rh et d’As(Rh/As = 2)
àTs
= 180 °C :a)
sur Sipassivé, b)
sur GaAs(100)
etc)
observation « sur la tranche » en MET ducodépôt correspondant
sur GaAs.[Glancing angle
X ray diffraction patterns of Rh and Ascodepositions (Rh/As = 2 )
atT,
=180 °C :a)
ontoSi02/Si substrate, b)
onto GaAs(100)
substrate andc)
cross sectional TEMimage
of thedeposit
onto a GaAssubstrate.]
un minimum pour
Rh/As
voisin de 2(c’est-à-dire
pour
a Rh2As). Lorsque T,
> 180 °CR[] 10 fl
soitune résistivité p = 25
03BC03A9cm.
Cettevaleur, identique
à celle des meilleurs
siliciures,
confirme le caractèremétallique
duaRh2As.
Par contre, les mesures nesont pas
possibles
pourRh/As 1,
car les couchessont alors constituées de
composés
semiconducteurs.La variation de
RD
en fonction deT,
pour lesdépôts
de03B1Rh2As, reportée figure 4,
montrequ’un palier
semble atteint versT,
= 180 °C.3.2 CODÉPÔTS
(Rh + As)
SUR GaAs(100). -
Contrairement au silicium
passivé, lorsque
Ts
> 200°C,
le substrat de GaAsinteragit
avec leflux de Rh incident. Dans la
présentation
de nos848
Fig.
3. - Variations de la résistanceRo
descodépôts (Rh
+As )
réalisés sur Sipassivé
pour 0 °CTs ~
330 °Cen fonction du rapport des concentrations
atomiques Rh/As.
[Sheet
resistance variation versusRh/As
atomic ratio for(Rh + As ) codepositions
ontoS’02/Si
substrate at0°C ~
Ts s 330 *C.]
résultats nous
séparerons
donc les deux gammes detempératures.
3.2.1 0 °C
Ts
200 °C. - Pour lesdépôts
corres-pondant
àRh/As = 2,
seul lea Rh2As
est détectéen rayons
X,
et les couchesprésentent
une tex-ture
[100] Rh2As//[100]
GaAs(cf. Fig. 2b).
Le spec-tre obtenu en rétrodiffusion d’ions
He+
confirme bienqu’il n’y
a pas eu d’interaction avec le substrat.L’observation en MET dans le
plan (100) indique
que les
grains
deRh2As
ont un diamètre de l’ordre de 150A ;
leur texture[100] perpendiculaire
auplan
du substrat est
confirmée, cependant
leur orientation dans leplan,
autour de cet axe, est aléatoire. Enplus
de
a Rh2As,
les traces d’une autrephase
sontdétectées. L’observation sur la
tranche,
dans leplan (011)
estreportée
sur lafigure 2c ;
elle montrela
présence
d’une coucheintermédiaire, (e =
90A )
mal cristallisée
(dans laquelle
on décèle duRh)
entre( THERMOCOUPLE )
Fig.
4. - Variations de la résistanceRo
en fonction de latempérature
du substrat lors descodépôts
devîRh2As
surSi
passivé
et sur GaAs(100).
[Sheet
resistance variations ofcîRh2As
films versus sub-strate temperature for
Si02/Si
and GaAs(100) substrate.]
les
grains
dea Rh2As
et le substrat. Les résistances carrées de cetype
dedépôts
sont peu différentes de celles dua Rh2As
nontexturé, déposé
sur Sipassivé (cf. Fig. 4).
3.2.2 Ts >
200 °C. - Dans cette gamme detempéra-
tures,
quand
on soumet les substrats de GaAs à des flux d’As et deRh,
lespectre
de rétrodiffusion d’ionsHe+
montrequ’il
y a unélargissement
dupic
de
Rh, caractéristique
d’une interaction avec le substrat. Pour les flux tels que sur Sipassivé 0,6 Rh/As 2,3,
seul RhAs est détecté en diffrac-tion de rayons X
(Fig. 5a)
et les couchesprésentent
une texture
[211] RhAs//[100]
GaAs.La
photographie
de lafigure
5b montre lesgrains
de
RhAs ;
une zone fortementperturbée
de 200À d’épaisseur sépare
le RhAs du substrat.La formation du
composé
RhAs par interaction du rhodium avec le substrat se traduit par uneaugmentation
de la résistance de couche(Fig. 4).
Fig.
5. -Codépôt (Rh
+As)
sur GaAs àTs
= 280 °C(sur SiRh/As
~ 1,85 ±0,15) : a) diagramme
de diffrac- tion X en incidence rasante,b)
observation « sur la tran- che » en MET.[a) Glancing angle
X ray diffraction pattem of(Rh
+As )/GaAs
atTs = 280 °C (Rh/As =1.85 ± 0.15
ontoSi02/Si substrate), b)
cross sectional TEMimage
of(Rh + As )/GaAs,]
4. Discussion.
Ces
premières expériences
nous ontpermis
demontrer que
a Rh2As peut
êtrefabriqué
en couchemince par
codéposition
de Rh et d’As et que sarésistivité,
du même ordre degrandeur
que celle des meilleurssiliciures,
estcompatible,
avec une utilisa-tion en
microélectronique.
Dans le cas dedépôts
surGaAs,
le substrat doit être maintenu à unetempéra-
ture inférieure à 200 °C afin d’éviter une interaction directe d’une
partie
du Rh incident avec le substrat :cette interaction
mène,
eneffet,
à la formation deRhAs
qui
neprésente
pas de relationépitaxiale
avecle substrat et n’est donc pas un candidat
potentiel
àla réalisation de structures
épitaxiées.
Les couches de
Rh2As
obtenueprésentent
unetexture
[100] Rh2As//[100]
GaAs mais l’orientation desgrains
est aléatoire dans leplan.
L’absenced’épitaxie
desgrains
deRh2As peut s’expliquer
par l’existence d’une couche intermédiaire entreRh2As
et GaAs et, par la
présence
trèsfréquente
de tracesd’une autre
phase.
Une meilleure maîtrise des flux(en particulier
celuid’As)
et de leurs transitoires à l’ouverture des caches s’avèreindispensable
pour viser lerapport Rh/As
strictementégal
à 2pendant
toute la durée du
dépôt
et éviter laprésence
en excèsd’un des deux constituants. Par
ailleurs,
afind’essayer
de modifierl’équilibre
dans un sens favora-ble à
l’épitaxie, plusieurs paramètres pourront
être modifiés : vitesse dedépôt plus
faiblepermettant
une
augmentation
de la taille desgrains,
utilisation de substrats de GaAs d’orientation cristalline diffé-rente.
Il convient de noter que des
expériences
trèsrécentes
[16]
ont montré que lesgrains
deRh2As
directement en contact avec GaAs
pouvaient
aussiprésenter
la relationépitaxiale [110] Rh2As//[100]
GaAs.
Des essais récents de recuit à ~ 500 °C ont montré que l’interface
a Rh2As polycristallin-GaAs
n’étaitpas
thermiquement
stable : l’interaction enphase
solide conduit à la formation des
composés RhAs2
etRhGa.
Cependant,
l’obtention d’uneépitaxie
cor-recte devrait contribuer à la stabilisation de cette interface et
permettre d’envisager
uneréépitaxie
deGaAs.
5. Conclusion.
L’étude des
codépôts (Rh
+As )
a montréqu’il
étaitpossible
dedéposer a Rh2As
en couche mince. Cescouches,
constituées degrains
de l’ordre de 150À
dediamètre,
ont de faible résistivité(-
2503BC03A9cm).
Dans le cas de substrat de GaAs
(100),
lescouches, qui
doivent êtredéposées
à destempératures
infé-rieures à
200 °C, présentent
une texture[100] mais,
dans nos conditions
expérimentales,
nous n’avonspas,
jusqu’à
cejour,
obtenu de couche monocristal- line dea Rh2As épitaxié.
Remerciements.
Nous tenons à remercier G.
Dupas,
A.Regreny,
Y.Ballini,
P.Auvray
et A. Poudoulec pour leur aide durant lesexpériences
et pour les nombreuses et fructueuses discussions que nous avons eues.850
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