L’épitaxie par jets moléculaires et les caractérisations associées

Résumé du document

L'épitaxie est un phénomène d'orientation mutuelle de cristaux de substances différentes, dû à l'arrangement des atomes sur leur face commune. L'épitaxie par jets moléculaires (EJM ou MBE pour Molecular Beam Epitaxy) a été développée pour la croissance des semi-conducteurs (Si, GaAs, CdTe, ZnSe …). Elle permet notamment de déposer des couches cristallines de semi-conducteurs sur un substrat monocristallin porté à une température appropriée à la croissance épitaxiale. La croissance est effectuée dans une enceinte de croissance EJM sous ultravide, celui-ci étant obtenu par un pompage ionique permanent assisté d'un pompage cryogénique pendant la croissance. Ainsi, l'épitaxie va permettre aux matériaux de cristalliser via des réactions entre les flux d'atomes des différents constituants et la surface du substrat maintenue à une température élevée.
L'EJM présente l'avantage de pouvoir travailler avec des vitesses lentes ( quelques angström/s : 1 monocouche atomique ) afin de laisser le temps aux atomes arrivant à la surface de migrer par diffusion de la surface vers les sites cristallographiques. Elle a ainsi permis aux chercheurs de travailler sur des structures complexes de lasers à puits quantiques ou à îlots quantiques.

Extraits

[...] L'épitaxie par jets moléculaires et les caractérisations associées L'épitaxie est un phénomène d'orientation mutuelle de cristaux de substances différentes, dû à l'arrangement des atomes sur leur face commune. L'épitaxie par jets moléculaires (EJM ou MBE pour Molecular Beam Epitaxy) a été développée pour la croissance des semi-conducteurs GaAs, CdTe, ZnSe Elle permet notamment de déposer des couches cristallines de semi-conducteurs sur un substrat monocristallin porté à une température appropriée à la croissance épitaxiale. La croissance est effectuée dans une enceinte de croissance EJM sous ultravide, celui-ci étant obtenu par un pompage ionique permanent assisté d'un pompage cryogénique pendant la croissance. [...]

[...] Néanmoins, la majorité des chambres de croissance utilisées en EJM peuvent atteindre un vide entre 10-10 Torr et 10-11 Torr Description du bâti Les bâtis d'EJM sont constitués de plusieurs modules sous-vide séparés par des vannes étanches (figure : - Le sas d'introduction, qui est la zone faisant le lien entre l'intérieur et l'extérieur du bâti. Elle permet ainsi de faire rentrer et sortir le substrat. On peut préciser que le substrat est collé sur un support en molybdène avec de l'indium. Le vide ambiant varie entre la pression atmosphérique et environ 10-8 Torr. - Le sas intermédiaire : ce sas permet de faire la transition entre le sas d'introduction et la chambre de croissance sans trop perturber l'ultravide régnant dans celle-ci. [...]

[...] Cette chambre dispose de plusieurs appareils de mesure servant à contrôler in situ la croissance des couches épitaxiées (spectromètre de masse, diffractomètre d'électrons à incidence rasante : RHEED, pyromètre pour la mesure de la température Le vide de la chambre de croissance avoisine 10-10 Torr. Néanmoins, il faut noter que ce vide a tendance à augmenter lors de l'épitaxie. Ce phénomène est dû au dégazage du substrat et des sources solides lorsqu'on les chauffe. Ce dégazage parasite peut être évité en augmentant légèrement la température du substrat. Déplacement du substrat dans le bâti Le substrat peut être déplacé dans le bâti via des cannes de transfert qui se manœuvrent à l'aide d'emprises magnétiques. [...]

[...] Le libre parcours moyen est la distance que peut parcourir un atome entre deux collisions avec d'autres molécules. Ce libre parcours moyen dépend directement du vide dans le milieu. Plus le vide sera poussé, plus le libre parcours moyen sera important (de l'ordre de quelques mètres pour un vide avoisinant les 10-7 Torr). Il est à noter que pour un bâti d'épitaxie, la distance entre les sources à effusion et la surface du substrat ne dépasse pas 30 à 40 cm. [...]

[...] Par ailleurs, un four est placé sur ce support permettant ainsi de chauffer le substrat. Figure 7 : Schéma du bâti d'EJM Les cellules d'évaporation Les cellules à effusion sont utilisées pour fournir un flux d'évaporation moléculaire le plus uniforme possible. Ces cellules sont disposées suivants un angle solide bien précis et elles sont orientées vers le substrat. Le matériau solide ou liquide à l'intérieur de la cellule est chauffé par rayonnement. Sa température est contrôlée via un thermocouple. Afin d'éviter tout rayonnement extérieur du matériau, les cellules sont construites en matériaux réfractaires. [...]