Préparation des couches minces - Epitaxie
La plupart des matériaux existent à l'état amorphe, cristallin ou polycristallin. Leurs propriétés mécaniques, optiques, thermiques et électriques varient également en fonction de leur état.
Par exemple, le carbone est une poudre noire à l'état amorphe, tandis qu'à l'état cristallin, c'est un diamant et un solide optiquement transparent avec un indice de réfraction élevé. Le second oxyde de silicium est une poudre blanche à l'état amorphe et un quartz à l'état cristallin.
Les films cristallins étant plus difficiles à produire, les films amorphes sont utilisés à condition qu'ils soient adaptés à l'application. C'est le cas des revêtements optiques, où les indices de réfraction de la plupart des films peuvent avoir une fiabilité et une répétabilité excellentes, même dans un état amorphe aléatoire. Les films métalliques sont également utilisés sous forme amorphe car leur conductivité électrique et leur réflectivité optique peuvent être reproduites de manière fiable. La principale différence entre les matériaux amorphes et cristallins est leur structure de bande d'énergie électronique. Les matériaux amorphes n'ont pas de structure de bande d'énergie apparente en raison de leur orientation aléatoire ; les structures cristallines, elles, en ont une.
Les couches minces cristallines ne peuvent être produites que sur un substrat dont la structure du réseau correspond étroitement à celle de la couche à produire. Si le substrat est identique au film, on parle d'épitaxie homogène. Si le substrat est légèrement différent mais toujours compatible, on parle d'épitaxie hétérogène.
Outre le silicium commun, l'épitaxie est surtout utilisée pour les semi-conducteurs IIIeV, tels que GaAs, InP, InAs, etc. De nombreux semi-conducteurs IIIeV présentent des propriétés intéressantes, où la structure de la bande d'énergie peut être ajustée en incluant d'autres éléments (par exemple GaxAl1 xAs) sans modifier de manière significative leur structure cristalline d'origine. Cela permet d'empiler des couches épitaxiées avec des structures de bandes électroniques différentes. Il s'agit de l'épitaxie hétérogène, qui devient courante dans les dispositifs optoélectroniques tels que les diodes laser, les diodes électroluminescentes (DEL) et les dispositifs à puits quantique.
Métal organique CVD
La CVD métal-organique (MOCVD) est un procédé de CVD utilisé pour produire des films épitaxiés, tout comme la LPCVD, en faisant circuler un gaz précurseur sur un substrat. Dans les semi-conducteurs IIIeV, les éléments métalliques sont transportés par des gaz organiques tels que le triméthylgallium (Ga(CH3)3) et le triméthylindium (In(CH3)3), ainsi que l'arsine (AsH3) ou la phosphine (PH3). Grâce à la pyrolyse sur la surface chauffée du substrat, les gaz peuvent se décomposer pour produire le film souhaité. Les pressions de traitement sont généralement de l'ordre de 10 à 100 Torr, ce qui permet d'obtenir des taux de croissance relativement rapides. L'un des inconvénients de la MOCVD est la nature toxique et explosive des gaz précurseurs, qui rend leur utilisation difficile dans les petits laboratoires de recherche. Cependant, la MOCVD est un procédé évolutif qui convient à la fabrication en volume, car de nombreux substrats peuvent être placés simultanément dans la chambre. C'est pourquoi il est largement utilisé dans la fabrication de lasers à puits quantiques, de DEL et d'autres composants.
épitaxie par faisceaux moléculaires (math.)
Alors que la MOCVD est similaire à la LPCVD, l'épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE) peut être considérée comme similaire à l'évaporation PVD et est réalisée sous ultravide. L'épitaxie par faisceaux moléculaires convient donc mieux aux applications nécessitant des niveaux de pureté très élevés. Les sources solides telles que le gallium ou l'indium provenant de différentes cellules d'accumulation sont généralement sublimées et condensées sur le substrat. Ces cellules sont fermées pour permettre des transitions rapides et précises d'un matériau à l'autre. L'environnement sous vide poussé permet également d'utiliser divers outils de diagnostic pendant le processus de croissance. De nombreux systèmes MBE utilisent la diffraction d'électrons réfléchis à haute énergie (RHEED) pour surveiller le processus de croissance et sont capables de compter les monocouches au fur et à mesure qu'elles se développent. La configuration de la source rend également le système beaucoup moins dangereux que la MOCVD. L'épitaxie par faisceau chimique est une variante de la MBE qui utilise une source gazeuse plutôt qu'une source solide, mais les principes sont très similaires. Le principal inconvénient de l'épitaxie par faisceau chimique par rapport à la MOCVD est la lenteur de la croissance et l'impossibilité de faire croître de nombreuses plaquettes à la fois. Néanmoins, elle est plus largement utilisée que la MOCVD pour étudier les caractéristiques fondamentales de la croissance des films épitaxiés dans les installations de recherche et dans certains environnements de production limités.
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