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Brevets et licences

Un nouvel outil pour fiabiliser la production de dispositifs électroniques à haute valeur ajoutée

Une nouvelle technologie brevetée, développée en collaboration entre des physiciens de l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay1 et de l’Institut des nanosciences de Paris2, permet le contrôle en temps réel du processus d'épitaxie d'hétérostructures semi-conductrices, utilisées pour la fabrication de dispositifs optiques et électroniques.

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La révolution qu’ont connue les télécommunications dans les dernières décennies est issue du développement dans les années 1970 de techniques de croissance épitaxiale (où la structure cristalline du film est déterminée par celle du substrat) telle que l’épitaxie par jets moléculaires (EJM).

Utilisée pour la fabrication de dispositifs optiques (lasers, détecteurs, routeurs) ou électroniques haute fréquence (réseaux de communications mobiles, leds organiques), l’EJM permet de produire de manière contrôlée des hétérostructures semi-conductrices sous forme de couches minces cristallines de très grande pureté. Cette technique doit son succès à un outil, la diffraction en réflexion d'électrons de haute énergie (RHEED), permettant de suivre la croissance en temps réel en fournissant le taux et le mode de croissance. Néanmoins, dans un contexte où les couches sont toujours plus minces et où les diélectriques prennent une importance plus grande, la charge ainsi que le caractère pénétrant de ces électrons représentent un réel inconvénient. Pour des raisons multiples (pertinence, fiabilité), le RHEED n'est pratiquement plus utilisé sur les machines de production. Des solutions alternatives ont été proposées, mesurant indépendamment la densité des jets moléculaires, la température du substrat ou la stœchiométrie du film. Mais aucune de ces solutions n'a pu s'imposer comme outil standard.

En alternative au RHEED, une équipe de l'Institut des sciences moléculaires d’Orsay et une équipe de l’Institut des nanosciences de Paris ont mis au point une nouvelle technique utilisant la diffraction d'atomes d'hélium. Dans une géométrie similaire à celle du RHEED, c'est-à-dire à des angles d'incidence rasants inférieurs à 2°, cette technique (baptisée GIFAD) utilise des atomes d'énergie de l'ordre du keV et est 100% compatible avec les bâtis d'épitaxie commerciaux. Le caractère neutre des sondes utilisées ainsi qu'une sensibilité exclusive à la dernière couche de la surface permettent de mieux répondre aux défis de la croissance de certains matériaux (diélectriques à haute permittivité, couches ultra-minces, etc.).

Un prototype de GIFAD a été installé sur une chambre de croissance de matériaux III-IV. Les résultats obtenus sur l'homoépitaxie de GaAs, publiés dans la revue scientifique Applied Physics Letters3, démontrent que GIFAD est bien plus sensible à la couche superficielle que RHEED. Cette sensibilité extrême permet d'une part de mesurer de manière plus fiable le degré d’avancement de la couche en cours de croissance et d’autre part de détecter une éventuelle dérive dans le processus de croissance. Cet avantage peut être utile pour assurer une qualité constante de la production de tranches épitaxiées en série. GIFAD est de plus tout à fait compatible avec les conditions standard de croissance, 1µm/heure à des températures de substrat pouvant atteindre 650 °C.

Cette technique trouve naturellement des débouchés en recherche mais des perspectives d'exploitation peuvent également être envisagées dans la R&D et la production industrielle d'hétérostructures complexes à base de semi-conducteurs et/ou de diélectriques (lasers, transistors) pour des applications telles que le guidage à distance, la reconnaissance gestuelle ou les transmissions optiques.

1 Institut des sciences moléculaires d’Orsay (CNRS/Université Paris-Sud)
2 Institut des nanosciences de Paris (CNRS/Université Pierre et Marie Curie)
3 Dynamic grazing incidence fast atom diffraction during molecular beam epitaxial growth of GaAs"; P. Atkinson, M. Eddrief, V. H. Etgens, H. Khemliche, M. Debiossac, A. Momeni, M. Mulier, B. Lalmi and P. Roncin ; Appl. Phys. Lett. 105, 021602 (2014)

 
Contacts :
Hocine Khemliche / Institut des sciences moléculaires d'Orsay / hocine.khemliche@u-psud.fr
Paola Atkinson / Institut des nanosciences de Paris / atkinson@insp.jussieu.fr