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Technique de dépôt des couches minces MBE(Molecular Beam Epitaxy)/EJM(Epitaxie

Technique de dépôt des couches minces MBE(Molecular Beam Epitaxy)/EJM(Epitaxie par Jets Moléculaire) Présenté par : Mr Ali Djafour Enseignant :Mr Berd.M 2013 /2014 Plant : 1. Introduction 2. Couches minces 3. méthodes d’élaboration de couches minces 4. Epitaxie 5. MBE (Molecular Beam Epitaxy), EJM (Epitaxie par Jets Moléculaires) 6. Principe 7. Instrumentation 8. La diffraction d'électrons de forte énergie en réflexion(RHEED) 9. Applications et conclusion 1. Introduction : La micro et nanostructuration de surface et la reprise d’épitaxie sont des étapes technologiques clés pour le développement de dispositifs optoélectroniques avancés et de nanocomposants. Le but est de localiser au sein des composants, de manière repérée, des zones de dimensions micrométriques ou nanométriques dont on exploitera les propriétés d’émission ou de guidage. Il peut s’agir de boîtes quantiques que l’on souhaite isoler, ou de structuration de couches enterrées dans une structure épitaxiée. La disponibilité de ces techniques de fabrication est source d’innovation pour la conception de nouveaux composants. Ce domaine est actif depuis de nombreuses années. Des travaux ont été réalisés sur la reprise d’épitaxie dans des tranchées, sur des mésas, ou dans des trous formés en surface par gravure humide ou sèche. Les résultats sont très différents suivant l’option choisie, et l’objectif est donc déterminant. Maîtriser l’épitaxie sur des motifs micro et nanostructurés est nécessaire pour envisager les applications visées. 2. Couches minces : 1. Définition : Une couche mince d’un matériau donné est un élément de ce matériau dont l’une des dimensions (appelée épaisseur) a été fortement réduite. Cette épaisseur (en nanomètres) correspond à la distance entre deux surfaces limites (quasi bidimensionnalité). Cette structure 2D entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. Exemple de couche mince: Couche mince (2D) Les effets liés aux surfaces limites sont prépondérants. qqs nm Plus l’épaisseur est faible, plus l’effet 2D est exacerbé. Inversement, au-delà d’un certain seuil, l’effet d’épaisseur devient négligeable et le matériau retrouve ses propriétés du matériau massif. 2. Substrat : Quelle que soit la procédure employée pour sa fabrication, une couche mince est toujours solidaire d’un support (parfois, à la suite de son élaboration, le film mince est séparé du support). Le support (ou substrat) influence fortement les propriétés structurales de la couche mince déposée. La nature du substrat a une influence sur les propriétés physiques de la couche mince déposée d’un même matériau (toutes autres caractéristiques étant égales par ailleurs). Les propriétés physiques d’une couche mince seront sensiblement différentes selon que la couche mince sera déposée sur un substrat isolant amorphe (structure atomique désordonnée, comme le verre) ou un substrat monocristallin (structure atomique ordonnée, comme un monocristal de silicium 3. méthodes d’élaboration des couches minces Celles les méthodes les plus couramment employées dans les domaines de l’électronique et de la technologie liée aux fonctionnalités de transport, optique, magnétoptique et thermique seront citées. Les principales méthodologies de fabrication utilisées par les fabricants de composants électroniques actifs ou passifs font appel à des procédures physiques de dépôt du matériau sur un substrat initialement dépourvu de dépôt. La couche mince va donc « croître » en épaisseur à partir de zéro. Aucun procédé de décapage permettant d’araser angström par angström un matériau n’est utilisé. En pratique, on distingue deux grandes familles de méthodes : Celles qui font appel à un gaz porteur pour déplacer le matériau à déposer d’un récipient au substrat et qui s’apparentent aux techniques de diffusion utilisées dans la fabrication des composants actifs. Celles qui impliquent un environnement à pression très réduite et dans lesquelles le matériau à déposer sera véhiculé grâce à une impulsion initiale de nature thermique ou mécanique. Principales techniques de dépôts : - pulvérisation cathodique: bombardement d’une cible par un gaz inerte (argon) pour pulvériser les atomes constituant la cible. - ablation laser: groupe d’atomes « évaporés » de la cible à l’aide d’un faisceau laser de haute fluence. - épitaxie par jets moléculaires: évaporation par chauffage, rayonnement ou bombardement électronique (sous vide poussé) du matériau à déposer. 4. Epitaxie : x Définition : « Epitaxie » a une étymologie grecque qui associe les mots "épi" qui signifie « par-dessus » et "taxis" qui signifie ordre. La croissance par épitaxie est définie comme le dépôt d’un cristal dont l’orientation est fixée par un substrat. C’est une étape technologique consistant à faire croître une couche mince sur un substrat, par un apport d'éléments qui vont la constituer. Lorsque les natures du substrat et du dépôt sont : - identiques, on parle d’homoépitaxie (exemple : croissance de diamant sur un substrat de diamant). - différents, on parle d’hétéroépitaxie (exemple : croissance de diamant sur un substrat de silicium). x Quelques techniques d’épitaxie : Une méthode de dépôt est considérée comme une technique d’épitaxie si et seulement si le matériau, déposé en couche mince, a l’orientation du substrat. Les nombreuses techniques d’épitaxie existantes se différencient principalement par les types de dépôt (chimique ou moléculaire) et le type de sources (gazeuses, liquides, solides) employées : - Dépôt chimique en phase vapeur (chimical vapor deposition : CVD) où les précurseurs arrivant sur le substrat chauffé pour former la couche sont des molécules : 9 MOCVD : Metal-Organic Chimical Vapor Deposition 9 MPCVD : Microwave Plasma Chimical Vapor Deposition - Epitaxie par jets moléculaires (molecular beam epitaxy : MBE) où les précurseurs arrivant sur le substrat chauffé pour former la couche sont des atomes. 9 SSMBE : Solid Source Molecular Beam Epitaxy 9 GSMBE : Gas Source Molecular Beam Epitaxy N’importe quel matériau ne peut pas être épitaxié par n’importe quelle technique d’épitaxie et sur n’importe quel type de substrat. Il est nécessaire de chercher pour chaque matériau quelle(s) technique(s) d’épitaxie et quel(s) type(s) de substrat sont nécessaires, et ce, pour une application déterminée. 5. MBE (Molecular Beam Epitaxy), EJM(Epitaxie par Jets Moléculaires ): Les matériaux épitaxiés pour des applications en électronique, micro-électronique ou optoélectronique nécessitent un contrôle drastique du niveau d’impuretés pour limiter les contaminations (induite par le vécu du réacteur de croissance) pouvant avoir des conséquences désastreuses sur les propriétés physiques des matériaux épitaxiés. Les réacteurs d’épitaxie sont donc généralement dédiés à un nombre restreint de matériaux. Ils ont des formes géométriques diverses (boulle, cylindre …) et de nombreuses connections (sources, instruments …). Ils sont constitués de différents matériaux (quartz, inox …). x Définition : L'épitaxie par jets moléculaires (EJM) est une technique de dépôt de matériaux en couches minces, utilisée notamment pour les semi-conducteurs III-V, et qui permet de maîtriser l'épaisseur déposée à une fraction de couche monomoléculaire près. La croissance est effectuée dans une enceinte de croissance EJM sous ultra-vide (10-10 à 10-11 torr). 6. Principe : Figure1 : principe de l’EJM L'échantillon est placé dans un four de croissance. Les sources contenant les divers éléments sont orientées vers l'échantillon et sont obstruées par des caches. La pression dans les flux émis est assez basse pour que ceux-ci soient en régime moléculaire au sens de la théorie cinétique des gaz, c'est à dire que les atomes ou molécules des flux n'interagissent pas avant d'atteindre le substrat. Les flux sont contrôlés en régulant la température des sources. Ces températures sont choisies selon la méthode des trois températures proposée par Günther en 1958. La température d'évaporation des éléments III, TIII, est supérieure à la température du substrat Ts. En revanche la température d'évaporation de l'arsenic, TV, est inférieure à la température d'évaporation des éléments III et également à la température du substrat (TIII > Ts > TV ). Ts est de l'ordre de 400 à 600°C suivant les matériaux et les conditions de croissance recherchées. Les flux arrivant sur l'échantillon sont caractérisés par la pression équivalente de flux, mesurée par une jauge ionique. Dans les conditions de croissance standard, la pression équivalente du flux d'arsenic est de l'ordre de 5 10-6 torr. Le flux d'arsenic est largement excédentaire par rapport au flux d'éléments III (In et Ga). Cet excès d'arsenic est caractérisé par le rapport des pressions équivalentes du flux d'arsenic et du flux des éléments III (appelé rapport V/III). Ce rapport V/III est généralement très supérieur à 1 (il peut atteindre des valeurs de l'ordre de 100 dans certains cas). Lorsque les éléments V sont en excès, la croissance est contrôlée par les flux d'éléments III. Si l'on peut négliger la désorption des éléments III (In ou Ga), et c'est généralement le cas, alors ces atomes sont tous incorporés à la surface. La proportion respective d'indium et de gallium dans le dépôt est déterminée par le rapport des flux incidents correspondants. Les molécules excédentaires d'élément V (arsenic) ne s'incorporent pas à la surface car il n'y a pas de site correspondant disponible. Elles sont désorbées et évacuées par la pompe ionique. Lors de la croissance sur un plan (001), cette procédure implique notamment que le dernier plan atomique est un plan d'arsenic. On parle alors de surface stabilisée par l'élément V.L'homogénéité des flux peut ne pas être parfaite, notamment si la croissance est effectuée sur des substrats de grandes dimensions. Il est alors possible que certaines zones de l'échantillon soient plus riches en indium et d'autres uploads/Ingenierie_Lourd/ mbe-molecular-beam-epitaxy-ejm-epitaxie-pdf 1 .pdf