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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie électrique et de génie informatique
TRAITEMENTS DE PASSIVATION DES
SURFACES DE L'ARSÉNIURE DE
GALLIUM ET IMPACT SUR LES
PROPRIÉTÉS ÉLECTRO-OPTIQUES DE
CE MATÉRIAU.
Mémoire de maîtrise
Spécialité : génie électrique
Ken ST-ARNAUD
Jury : Vincent AIMEZ (Directeur)
Denis MORRIS (Co-directeur)
Abdelatif JAOUAD (Co-directeur)
Serge CHARLEBOIS (Évaluateur interne au programme)
Jan J. DUBOWSKI (Rapporteur)
Sherbrooke (Québec) Canada
Juin 2015
Dude, suckin' at something is the rst step
to being sorta good at something. -Jake The
Dog, Adventure Time
RÉSUMÉ
Ce projet de recherche vise à caractériser l'inuence de divers traitements de passivation
de surface de l'arséniure de gallium (GaAs) sur les propriétés électriques et optiques de
ce matériau. Les procédés de passivation étudiés sont les traitements au soufre (N H4)2S
et les dépôts de nitrure de silicium SiNx et trois types de substrat ont été utilisés à
titre comparatif, un type N ( 1016), un type N+ (1018) et un non dopé. Dans ce dernier
cas, un système de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD) a
été utilisé et l'inuence de la fréquence de la source d'alimentation AC du plasma a été
étudiée. Des techniques de caractérisation électrique, optique et électro-optique ont été
utilisées pour l'étude. Des structures métal-isolant-semiconducteur (MIS) ont été réalisées
pour les mesures AC et DC de capacité à plusieurs fréquences. L'analyse des mesures
électriques a permis de démontrer un plus grand détachement du niveau de Fermi pour
les échantillons passivés avec un dépôt de nitrure de silicium SiNx à basse fréquence
plutôt qu'à haute fréquence. Des mesures optiques en continu et résolue en temps ont été
eectuées sur une série d'échantillons de GaAs présentant diérents niveaux de dopage
et diérents traitements de surface. Les mesures de photoluminescence en continu et les
mesures résolues en temps montrent que les propriétés optiques des dispositifs dépendent
grandement du type de substrat utilisé. Plus d'information sur le champ surfacique des
dispositifs est nécessaire pour conclure sur l'ecacité de la passivation. Pour obtenir cette
information, des mesures de photoluminescence, continues et résolues en temps, ont aussi
été eectuées sur les structures MIS en présence d'un champ électrique. Ces mesures n'ont
pas permis de mettre en évidence l'inuence de la modication du champ de surface sur
l'intensité du signal de luminescence, et ce peu importe le procédé de traitement de surface
utilisé. Finalement, des antennes THz ont été fabriquées sur un substrat de SI-GaAs passivé
par le traitement PECVD à basse fréquence. Ces antennes émettent un champ THz plus
intense et avec un plus grand contenu fréquentiel que celle fabriquée sans traitement de
passivation.
Mots-clés : GaAs, optique, surface, passivation
i
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier, en premier lieu, mes superviseurs, Vincent, Abdelatif et Denis, qui
m'ont fait conance et m'ont oert un projet merveilleux en plus de leur temps et conseils
précieux. Mes collègues de bureau, Jihène et Pierre sans oublier les petits étudiants de
passage en stage Marc-Olivier, Maxime et Anne-Marie sans qui les journées de lectures
auraient semblées plus longues. Je dois remercier mes deux clowns de laboratoire, David et
Branko, qui ont rendu les visites au lab encore plus plaisantes que je pouvais l'imaginer. Le
personnel de l'IMDQ, surtout Christian (Dick) et Keven (Papa) pour leur aide technique
et morale dans les salles propres. À Paul-Ludovic de m'avoir permis d'utiliser le laboratoire
de spectroscopie ultra-rapide du département de chimie et de m'avoir dépanné quand le
besoin y était. Merci à (Maxime) Chalebois et Vincent (Raptor) de me laisser les déranger
avec mon thé lors de mes pauses qui ne coïncidaient pas souvent avec les leurs. Un petit
merci spécial s'en va pour ces femmes qui ont partagé mon coeur et mes nuits au cours de
mes nombreuses années à Sherbrooke.
Merci à ceux que j'aime. À mes parents, mon père et ma mère sans qui je ne serais pas
la merveilleuse personne que je suis. À Véronique pour les longues discussions tard faceà-face devant un café ou à 150 000 m l'un de l'autre devant un clavier ; tu me permets de
rester moi même quand je me perd. À mes collègues, amis et coéquipiers avec qui je suis
en symbiose, Karl et Gasse. Sans eux la vie ne serait pas la même, les graphiques seraient
toujours aussi beaux, mais le "gameplay" serait vraiment moins bon !
Et merci à l'homme de ma vie, Gaube. Malgré le fait que YolOttawa et Vancouver c'est
loin on réussit tout de même à se parler plusieurs fois par semaine. Ce n'était pas facile
tous les jours, mais ça aurait été pire sans nos SMS hebdomadaires et les visites trop peu
fréquentes.
iii
TABLE DES MATIÈRES
1 INTRODUCTION
1
2 ÉTAT DE L'ART
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
États électroniques dans les semiconducteurs . . . . . . . . . . .
Densité d'état surfacique de l'arséniure de gallium . . . . . . . .
Passivation de surface des semiconducteurs . . . . . . . . . . . .
2.3.1 PECVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Solution de soufre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Méthodes de caractérisation des surfaces . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Description de la méthode de la caractérisation électrique
2.4.2 Méthodes de caractérisation optique . . . . . . . . . . .
2.4.3 Méthode de caractérisation électro-optique . . . . . . . .
Antennes d'émission THz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
3.1
3.2
Fabrication des échantillons . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Dispositifs électriques . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Antennes THz . . . . . . . . . . . . . . . .
Montages de caractérisations . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Mesures électriques . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Photoluminescence . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Photoluminescence résolue en temps . . .
3.2.4 Réectivité diérentielle résolue en temps .
3.2.5 Pompe-optique sonde-THz . . . . . . . . .
3.2.6 Mesures optiques avec champ électrique . .
3.2.7 Mesures des antennes THz . . . . . . . . .
4 RÉSULTATS ET ANALYSES
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Mesures électriques . . . . . . . . . . . .
Photoluminescence . . . . . . . . . . . .
Photoluminescence résolue en temps . .
Réectivité diérentielle résolue en temps
Pompe-optique sonde-THz . . . . . . . .
Mesures optiques avec champ électrique .
Mesures des antennes THz . . . . . . . .
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3
4
6
7
7
8
8
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17
17
18
19
19
20
20
20
22
23
24
25
27
27
29
34
43
45
45
48
5 CONCLUSION
51
A ÉCHANTILLONS
55
A.1 H06X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 H2XX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
55
55
vi
TABLE DES MATIÈRES
A.3 I1014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4 F968H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LISTE DES RÉFÉRENCES
56
56
59
LISTE DES FIGURES
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Bande de conduction (BC), de valence (BV) et énergie de Fermi (EF)d'un
semiconducteur intrinsèque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagramme de bande d'énergie pour un semiconducteur avec des centres
profonds (CP) de type n (a) et de type p (b). La position du niveau de Fermi
(EF), de la bande donneurs (D) et de la bande accepteurs (A) dépendent du
type et du niveau de dopage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagramme de bande d'énergie a) d'un cristal volumique et b) d'un nanol
semiconducteur de type N avec une forte densité d'états de surface. . . . .
Schéma d'un transistor MESFET avec le canal de conduction ouvert (gauche)
et fermé (droite). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma d'un réacteur PECVD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Résultats typiques de mesures C-V d'un dispositif sur substrat de type N
dans des conditions où le niveau de Fermi est xé (rouge) et non xé (noir)
en milieu de gap à l'interface semiconducteur-isolant. La zone de gauche
est la région d'inversion, celle du centre est la région de déplétion et celle
de droite correspond à la région d'accumulation. . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma de bande d'un dispositif MIS avec polarisation négative (a et c) et
nulle (b et d) et avec une faibe (a et b) et une grande densité d'états (c et d).
Schéma des bandes de valences (BV) et de conduction (BC) d'un semiconducteur a) avant l'arriver d'un photon, b) avec l'absorption d'un photon
et création d'une paire électron-trou, c) avant la relaxation et d) avec la
recombinaison de la paire électron-trou et la création d'un photon. . . . . .
Schéma du pulse femtoseconde (pas à l'échelle) qui balaie l'émission PL des
échantillons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma de la "streak camera" a) de côté et b) de face. . . . . . . . . . . . .
Schéma des dispositifs a) après le soulèvement de l'or et b) après la gravure
d'aluminium. La surface passivée est en bleu sur, l'or en jaune et l'aluminium en gris. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma du montage de mesure PL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma du montage de PLRT avec détection par "up-conversion" des fréquences dans un cristal NL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma du montage de réectivité diérentielle résolue en temps. . . . . .
Photo du montage de mesure PO-ST. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma du montage de mesure PL-E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma du montage de mesure d'antennes THz. L'antenne test est positionnée au niveau de l'émetteur THz. Ce banc à 4 miroirs est aussi utilisé
pour étudier la transmission à travers des échantillons tests : ici le bras de
pompe optique n'est pas utilisé pour la caractérisation de nos antennes. . .
vii
3
4
5
6
8
9
10
11
13
14
19
21
22
23
24
25
26
viii
LISTE DES FIGURES
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
Courbes C-V à T=300K pour l'échantillon a) H759A avec une passivation
PECVD à basse fréquence et b) 759E avec une passivation PECVD à haute
fréquence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Courbes C-V à T=300 K pour l'échantillon H269C avec une passivation
PECVD à basse fréquence. Une modulation du signal électrique de 30 mV
à a) 1 MHz et b) 10 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spectres d'intensité PL en fonction du type de passivation à T=20K pour
les échantillons a) de type n+ et b) de type n. . . . . . . . . . . . . . . . .
Spectres d'intensité PL en fonction du type de passivation à T=20 K pour
des échantillons de SI-GaAs. L'intensité de la courbe de l'échantillon I1014E
est réduite d'un facteur 4 an de mieux distinguer l'ensemble des autres
spectres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cinétiques du signal de PL mesurées à l'aide du montage UPC au maximum
de la bande d'émission (830 nm) pour divers échantillons n-GaAs : dopage
et traitements de passivation diérents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation 3D du signal de PL mesurés en fonction du temps et de la
longueur d'onde pour l'échantillon I1014E (SI-GaAs) à 77K sous 0.2mW
d'illumination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation 3D du signal de PL mesurés en fonction du temps et de
la longueur d'onde pour l'échantillon I1014E (SI-GaAs) à 77K sous 2mW
d'illumination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Représentation 3D du signal de PL mesurés en fonction du temps et de la
longueur d'onde pour l'échantillon I1014E (SI-GaAs) à 300K sous 2mW
d'illumination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cinétiques du signal de PL mesurées à l'aide du montage SCam pour l'échantillon I1014A (SI-GaAs ayant subi la passivation au soufre et LF-PECVD)
à 77 K sous diérentes puissances d'excitation. . . . . . . . . . . . . . . .
Graphique des spectres RDRT pour divers échantillons n-GaAs : dopage et
traitements de passivation diérents. Un temps de montée commun de 300
fs a été utilisé pour ces lissages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Graphique des cinétiques du signal de transmission diérentielle (pompe
optique et sonde THz) de diérents types de passivation PECVD sur un
substrat type semi-isolant et les résultats des lissages. . . . . . . . . . . . .
Graphique de l'intensité PL émise par le dispositif MIS sur le substrat nGaAs passivé par dépôt LF-PECVD (H269C) en fonction de la tension
d'alimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caractéristiques d'antennes THz avec ouverture de 80 μm sur substrat de
GaAs non dopé passivés et non. En a) les traces du champ THz émis et en
b) les spectres en fréquences associés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
28
30
33
35
37
38
39
41
43
46
47
49
LISTE DES TABLEAUX
4.1
4.2
Résumé des paramètres de lissage des résultats de PLRT avec la SCam pour
les échantillons GaAs non dopés ayant été soumis à diérents traitements
de passivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Résumé des paramètres de lissage des résultats de RDRT sur les substrats
de GaAs n et n+ selon diérents traitements de passivation. . . . . . . . .
ix
42
44
x
LISTE DES TABLEAUX
CHAPITRE 1
INTRODUCTION
L'arséniure de gallium (GaAs) est un semiconducteur III-V intéressant pour les applications optoélectroniques comme les émetteurs et détecteurs de lumière. Par contre, ce
composé a une densité d'états surfaciques très élevée. Ces états agissent comme des pièges
non radiatifs qui réduisent l'ecacité de collection des photoporteurs dans le cas de photopiles (cellules solaires) ou encore l'ecacité d'émission de lumière dans le cas de diodes
électroluminescentes. Avec la miniaturisation et l'utilisation de nanols, les eets de surface
gagnent en importance. La réduction des pièges de surface est indispensable à l'amélioration des caractéristiques de dispositifs tels transistors et cellules solaires à base de nanols
III-V.
Des procédés de passivation au soufre et par dépôt PECVD (système de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma) de nitrure de silicium (SiN x ) ont déjà été
étudiés pour traiter les surfaces de GaAs [Jaouad et Aktik, 2002][Jaouad et al., 2004] an
de réduire la densité d'états surfaciques. Parmi les méthodes de caractérisation usuellement
utilisées, l'analyse électrique des dispositifs est la plus populaire. Les mesures électriques
de structures métal-isolant-semiconducteur (MIS) ont permis d'observer une amélioration
signicative des propriétés électriques de dispositifs avec surface de GaAs ainsi passivée
[Jaouad et al., 2004]. Ce type de mesures nécessite une étape de métallisation sur les
échantillons et un contact direct avec le dispositif. Plusieurs dispositifs photoniques complexes ne peuvent subir de telles étapes (comme les hétérostructures ou les biocapteurs)
sans devenir inutilisables.
Pour éviter la métallisation, des mesures optiques peuvent être utilisées. Par contre, des
études [Maxime, 2007][Volatier, 2010] ont montré une forte dépendance du facteur multiplicatif d'amélioration de l'intensité de photoluminescence (PL) de surfaces passivées par
rapport au type de dopage du substrat. En eet, des rapports d'intensité allant jusqu'à 200
pour du GaAs semi-isolant (SI-GaAs), 10 pour du p-GaAs et environ 1 pour le n-GaAs.
Cela peut être causé par la complexité des mécanismes de diusion et de dérive des photoporteurs dans le matériau. De plus, bien que les pièges en surface réduisent le taux de
recombinaison radiatif en surface d'autres phénomènes, comme le champ de surface causé
1
2
CHAPITRE 1. INTRODUCTION
par des charges xes, peuvent avoir un eet plus dominant sur ce même taux.
Plus d'information est nécessaire pour pouvoir utiliser la technique de PL comme méthode
de caractérisation de la modication des états surfaciques découlant de la passivation de
surface. C'est pour cette raison que nous avons tenté de corréler les mesures optiques et
électriques à l'aide de mesures de PL, de capacité en fonction de la tension (C-V) et de
PL en champ électrique (PL-E). Malgré le fait que le SI-GaAs présente un grand rapport
d'intensité PL après passivation, des substrats n-GaAs ont été utilisés ici pour permettre
la fabrication de structures MIS. Les mesures de PL ont été faites sur du n-GaAs avec
deux densités de dopant diérentes dans le but d'expliquer l'eet du dopage sur les diérences des rapports d'intensité PL entre les échantillons passivés et non passivés. Ensuite,
des mesures résolues en temps ont été faites dans le but de relier la densité surfacique de
pièges au temps de vie des photoporteurs.
Dans le but de montrer une application directe des procédés de passivation en général
et de conrmer la réussite du procédé de passivation, des antennes d'émission thérahertz
(THz), sur substrats de GaAs passivés par dépôt PECVD à basse fréquence (LF-PECVD)
et non passivés, ont été fabriquées et caractérisées. L'ecacité de ces dispositifs requiert
une grande mobilité surfacique. Une réduction de la densité d'états surfaciques par passivation pourrait permettre l'amélioration de l'intensité THz émise. Selon une autre équipe
[Headley et al., 2011], des dispositifs ayant subi une passivation de surface montrent une
augmentation de l'intensité THz et une augmentation de la largeur spectrale émise. La
conrmation de ces résultats avec nos dispositifs permettrait d'améliorer les performances
des dispositifs qui sont actuellement intégrés aux montages de spectroscopie et d'imagerie
THz du laboratoire de spectroscopie optique femtoseconde du Département de physique.
Ce projet est fait sous la supervision des Pr. Vincent Aimez, Pr. Denis Morris et Abdelatif
Jaouad (Professeur associé à l'Université de Sherbrooke). Le jury est formé des directeurs
de recherche, du Pr. Serge Charlebois (évaluateur interne au programme) et du Pr. Jan J.
Dubowski (rapporteur).
11
−2
−1
12
SiO2 α
−2
−1
β
2
3
As2 O3
As2 O3
6
CHAPITRE 2. ÉTAT DE L'ART
du dispositif. Dans le cas des transistors, la conguration MESFET peut permettre de
s'éloigner des pièges surfaciques [Orouji et al., 2011]. Comme le montre la gure 2.4, en
ouvrant le canal de conduction dans le volume, les porteurs ne sont pas piégés par la surface. En réduisant la taille des dispositifs, il devient dicile d'ouvrir le canal de conduction
loin de la surface. Ultimement, il est donc souhaitable de développer de bons procédés de
passivation des surfaces pour chaque type de semiconducteur.
Schéma d'un transistor MESFET avec le canal de conduction ouvert
(gauche) et fermé (droite).
Figure 2.4
2.3 Passivation de surface des semiconducteurs
Il existe plusieurs méthodes de passivation des surfaces qui ont toutes pour objectif de
réduire la densité d'états de surface par une modication de son oxyde natif. Deux types
de traitement sont étudiés ; le traitement par dépôt PECVD de SiNx avec une source
d'excitation à courant alternatif (AC) à basse (LF) et à haute (HF) fréquence et le traitement chimique au soufre. Les techniques peuvent aussi être combinées et servir à passiver
d'autres matériaux [Jaouad et Aimez, 2006].
Le principe général du traitement par dépôt PECVD est relativement simple, par contre,
la maîtrise des paramètres (pression, ux des gaz et amplitude et fréquence du plasma) en
vue de l'obtention d'une couche uniforme d'une certaine épaisseur reste un art. La méthode
CVD (chemical vapor deposition ou déposition en phase vapeur) consiste en l'adsorption
d'un ou plusieurs gaz sur la surface d'un substrat. Par exemple, pour la déposition de
nitrure de silicium, du SiH4 et du N H3 peuvent être injectés ce qui provoquera un rejet
d'hydrogène. Par ailleurs, pour faciliter, voir déclencher, le processus, le substrat doit être
chaué aux alentours de 600◦ C. C'est pour éviter ce stress thermique sur l'échantillon que
le dépôt assisté par plasma est utilisé. À basse pression et avec une tension d'alimentation
2.3. PASSIVATION DE SURFACE DES SEMICONDUCTEURS
7
des électrodes assez grande, un plasma peut être formé dans la chambre de déposition.
Dans le cas présent, une tension alternative est utilisée. À haute fréquence (typiquement
13,56 MHz) le gaz d'ions est relativement xe dans la chambre. Comme les électrons sont
beaucoup plus légers que les ions, ils auront le potentiel de se déplacer dans le champ AC et
ainsi acquérir susamment d'énergie cinétique pour aller frapper les électrodes laissant un
plasma globalement positif au centre. L'adsorption des ions sur la surface de l'échantillon
placé en contact avec l'une des électrodes du réacteur s'eectue alors par un processus
de diusion (du centre vers les électrodes de bout). Comme le montre la gure 2.5, le
ux d'électrons atteignant le substrat peut permettre d'activer la décomposition des gaz
en surface et ainsi favoriser le dépôt de la couche de nitrure de silicium. Par ailleurs, en
utilisant une fréquence plus faible, les ions plus chauds du plasma peuvent ainsi frapper
le substrat avec susamment d'énergie pour modier la couche d'oxyde natif. En eet ces
particules plus lourdes gravent la surface ce qui enlève la couche d'oxyde qui n'aurait pas
été susamment gravée (ou qui a eu le temps de se reformer). Dans ces conditions, il est
possible de passiver la surface du GaAs et d'encapsuler cette surface via le dépôt d'une
couche isolante.
2.3.1 PECVD
2.3.2 Solution de soufre
Pour traiter les échantillons au soufre, une solution avec un excès de soufre doit être utilisée. Un bain dans la solution chauée sut pour passiver les dispositifs. Il est supposé
que des liaisons S-S, Ga-S et As-S se forment à la surface [Hirsch et al., 1998]. Ses liaisons
remplacent l'oxyde natif nuisible, discuté plus tôt. Un recuit permettrait de sublimer l'arsenic des liens As-S et ferait diuser le soufre en excès dans le volume. Ainsi, la surface
ne serait constituée que de liens Ga-S qui ne laissent pas de place à l'oxydation.
Dans des études précédentes [Maxime, 2007], la couche de soufre se faisait parfois détruire
(sublimation) par l'exposition à des sources lumineuses trop puissantes. Pour éviter cet
eet, une couche de nitrure par PECVD peut être déposée.
μm2
2.4. MÉTHODES DE CARACTÉRISATION DES SURFACES
9
Résultats typiques de mesures C-V d'un dispositif sur substrat de
type N dans des conditions où le niveau de Fermi est xé (rouge) et non xé
(noir) en milieu de gap à l'interface semiconducteur-isolant. La zone de gauche
est la région d'inversion, celle du centre est la région de déplétion et celle de
droite correspond à la région d'accumulation.
Figure 2.6
Dans un dispositif MIS avec peu d'états de surface, on voit clairement les régimes d'accumulation, de déplétion et d'inversion dans la mesure C-V. Dans cette situation, l'application d'un champ électrique courbe les bandes de conduction et de valence ce qui prouve
que le niveau de Fermi n'est pas xé (comme le montre la gure 2.7 a et b). Dans le cas où
le niveau de Fermi est xé, l'application d'une diérence potentiel entre les électrodes ne
fait qu'induire un champ électrique dans l'isolant : une faible courbure de bandes apparaît
à la surface du semiconducteur (comme le montre la gure 2.7 c et d).
Dans le passé, des mesures électriques sur des capacités MIS de GaAs ont déjà permis
de démontrer que la xation du niveau de Fermi pouvait être brisée que ce soit avec des
passivations PECVD [Jaouad
et al., 2004] ou avec d'autres types de passivation [Jaouad
et Aktik, 2002]. Cette démonstration prouve qu'il est possible de réduire les défauts de
surface et de rendre le matériau fonctionnel.
2.4.2 Méthodes de caractérisation optique
Cette section couvre les méthodes de caractérisation optique suivante ; la photoluminescence en continu (PLC), la photoluminescence résolue en temps (PLRT), la réectivité
diérentielle résolue en temps (RDRT) et la pompe-optique sonde-THz (PO-ST). Ces
Ephoton ≥ Egap
Egap ≈
α
αGaAs ≈ 1.2469 × 104 cm−1
αGaAs ≈ 7.9069 × 104 cm−1
12
CHAPITRE 2. ÉTAT DE L'ART
des états de surface sur le signal de PL peut être négligeable si la contribution du volume
est trop importante. En réduisant la longueur d'onde de la source lumineuse (ainsi augmentant l'énergie des photons), il est possible de sonder moins profondément. Par contre,
comme mentionné plus haut, il est possible d'inférer de petits changements de signaux de
PL aux traitements de passivation de la surface, dans la limite où l'on contrôle bien tous les
autres paramètres xes de l'expérience (longueur d'onde, puissance, température, même
substrat de base et même procédé de nettoyage des échantillons), il n'est pas nécessaire
de changer de longueur d'onde. Bien qu'une grande partie de la luminescence provient des
recombinaisons en volume, leur contribution est équivalente pour chaque échantillon et
peut donc être comparée.
Description de la Méthode de Photoluminescence Résolue en Temps
Pour pouvoir résoudre temporellement la PL, une source pulsée doit être utilisée. Des
impulsions courtes créent des impulsions quasi- δ de photoporteurs distribuées dans le volume du semiconducteur. Après une relaxation intrabande presque immédiate, les porteurs
commencent à se recombiner et le maximum de photoluminescence est atteint. Ensuite,
l'intensité diminue jusqu'à ce qu'aucun porteur en excès ne soit présent. Deux montages de
caractérisation ont été utilisés ; un montage avec détection par up-conversion (UPC) des
fréquences dans un cristal non linéaire et un montage avec une caméra à balayage de fente.
Quand deux faisceaux cohérents se superposent temporellement et spatialement dans un
cristal non-linéaire (NL), il y a génération d'une onde dont la fréquence est la somme des
deux sources incidentes ( fupc = fP L + fsonde ) et dont l'intensité est proportionnelle à celles
des deux sources (Iupc ∝ IP L × Isonde ) [Boyd, 2008]. La fréquence de la sonde ( fsonde ) étant
la fréquence du laser, il est possible de déterminer la fréquence d'émission ( fP L ) pour
une fréquence de détection donnée ( fupc ). De plus, comme l'intensité du faisceau laser est
constante, l'intensité générée sera proportionnelle à l'intensité du signal PL. En plaçant le
spectromètre à la bonne longueur d'onde et en faisant varier la ligne à délai (balayage du
recouvrement temporel), il est possible de sonder le pic de PL à partir du moment où les
photoporteurs sont créés jusqu'à ce qu'il n'en reste plus, comme le montre le schéma de la
gure 2.9.
L'utilisation d'une caméra à balayage de fente (SCam ou "streak camera") est beaucoup
plus rapide et plus facile d'utilisation. La luminescence est focalisée sur la fente d'entrée
Vmin
Vmax
SiNx
Δ
mm2
2.4. MÉTHODES DE CARACTÉRISATION DES SURFACES
15
montrer que le changement de transmission diérentielle (avec et sans pompe optique )
du faisceau sonde est directement proportionnel au changement de photoconductivité du
substrat. Si la mobilité est considérée constante dans le temps, le signal Δt/T traduit
directement un changement dans la densité des photoporteurs ( ΔN (t) et ΔP (t)). La dynamique du signal Δσ(t) sera dominée par celle des porteurs les plus mobiles (soit les
électrons dans le cas du GaAs). La mesure du signal Δt/T , où T est le signal de transmission sans pompe et t correspond au délai PO-ST, permet donc de déterminer le temps de
vie des porteurs photogénérés.
2.4.3 Méthode de caractérisation électro-optique
Les mesures électro-optiques visent à étudier l'eet du champ électrique en surface : champ
de déplétion intrinsèque ou champ induit par un potentiel appliqué entre deux contacts
déposés sur la face avant et arrière des échantillons [Ahaitouf et al., 1991][Ando et Yamaguchi, 1981]. Ces champs séparent les porteurs et nuisent aux recombinaisons radiatives.
En appliquant un champ externe, il est possible d'augmenter, de diminuer, d'inverser le
sens et même d'annuler le champ intrinsèque. Ainsi, les trois techniques décrites plus tôt
peuvent être utilisées avec l'application d'un tel champ pour obtenir plus d'information
sur la surface.
Dans le cas de la PL, moins les charges sont séparées, plus l'intensité émise sera grande.
S'il y a une faible densité d'états en surface, un faible champ appliqué peut annuler le
champ interne créé par ces défauts et redresser les bandes (voir la gure 2.3 pour un rappel des bandes à la surface). Des échantillons avec une plus forte densité de pièges ont
besoin d'un plus grand champ pour obtenir des bandes plates. Pour les mesures résolues
dans le temps, la modication du champ (et des courbures de bandes) aecte le temps
de vie court (rapide) des photoporteurs d'une manière complexe, car ce temps dépend
des mécanismes de diusion et de dérive des deux populations de porteurs (électrons et
trous). En revanche, si les échantillons ont une très grande densité de pièges, l'ancrage du
niveau de Fermi empêchera toute modulation du champ électrique interne et aucun eet
ne pourra être observé sur la cinétique des signaux de PL.
16
CHAPITRE 2. ÉTAT DE L'ART
2.5 Antennes d'émission THz
Lorsque les photoporteurs sont accélérés dans un matériau photoconducteur, comme le
GaAs, ils émettent du rayonnement électromagnétique par radiation dipolaire. Ce courant
doit être présent pendant un court moment pour obtenir un large spectre en fréquence
(comprise entre 0,1 THz et 4 THz) et intense pour générer une grande amplitude de champ
THz. C'est pour obtenir ces conditions que des antennes photoconductrices sont utilisées.
Les antennes photoconductrices que nous utilisons sont à faible ouverture. Elle sont constituées de deux électrodes parallèles séparées d'une distance d'une centaine de microns. Le
champ THz émis, dans l'approximation du champ lointain, est proportionnel au champ
électrique qui accélère les photoporteurs. Une grande diérence de potentiel (jusqu'à 100
V) est appliquée entre les électrodes, an d'obtenir un fort champ électrique de l'ordre
de quelques kV/cm. L'intensité de ce champ est limitée par les propriétés physiques du
matériau. Un trop fort champ peut faire claquer le dispositif le détruisant instantanément.
L'amplitude du champ THz émis (en champ lointain) est proportionnel à la dérivée temporelle du photocourant traversant le dispositif. La forme des impulsions THz émises est
fonction de la largeur des impulsions laser d'excitation, des propriétés de transport des
charges accélérées entre les électrodes de l'antenne, ainsi que des mécanismes de recombinaison des photoporteurs dans le matériau photoconducteur. L'absorption du faisceau
laser d'excitation se fait en majeur partie à la surface du substrat. Considérant que c'est
à la surface des dispositifs qu'il y a le plus grand champ électrique, il est favorable de ne
pas créer les photoporteurs plus profondément dans le volume. Comme mentionné plus
tôt, le GaAs présente une forte densité d'états surfaciques qui piège les photoporteurs. Les
défauts de surface réduisent également la mobilité des photoporteurs. Ces eets tendent
à réduire le photocourant et, ainsi, l'intensité du champ THz émise par le dispositif. Avec
un substrat ayant subit un traitement de passivation de surface ecace, il serait possible
d'obtenir une intensité émise plus élevée que pour une antenne photoconductrice fabriquée
sur un substrat n'ayant pas subit un tel traitement.
CHAPITRE 3
MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
Remember kids the dierence between fooling around and science is writing it down !
-Adam Savage
3.1 Fabrication des échantillons
Les détails pour chacun des échantillons se trouvent dans l'annexe A. Les étapes suivantes
sont donc une généralisation des procédés et ce n'est pas tous les échantillons qui passent
par tous ces traitements. Il est à noter que des gaufres de GaAs de type n (< 10
n+ (10
18
cm−3 ),
16
cm−3 ),
intrinsèque et intrinsèque avec implantation ionique à la surface ont été
utilisés. Les manipulations sont eectuées dans les laboratoires du CRN2 de type salle
blanche de classe 100 au 3it et dans les laboratoires de type salle propres de classe 1000 à
l'IMDQ. Avant chaque étape, les échantillons sont nettoyés dans une solution d'opticlear,
suivi d'acétone et ensuite d'IPA. Un rinçage à l'eau et d'un séchage par jet d'azote complètent le nettoyage. De plus, chaque dépôt (de
SiNx
ou de métaux) a été aussi eectués
sur un témoin de silicium an de mesurer l'épaisseur du dit dépôt par ellipsométrie ou
prolométrie.
La première étape est de déposer un contact sur la face arrière de la gaufre. Une multicouche composée de Ge-Au-Ni sert de contact ohmique. Ce contact n'est pas déposé pour
des échantillons qui sont mesurés en PO-ST, car l'alliage ne transmet pas l'impulsion THz.
Ensuite, la gaufre est découpée en carrés d'environ 1 cm x 1 cm. Au moins un échantillon
de chaque gaufre est conservé à des ns de référence.
La première étape de passivation, comme mentionnée plus tôt, est la gravure de l'oxyde
natif. Trois trempages courts (entre 10 et 30 secondes) dans des solutions de NH 4 OH, de
HCL et de HF permettent la gravure de cette couche indésirable. Un rinçage rapide est
eectué entre chaque bain pour éviter les réactions indésirables. Ensuite, la passivation
au soufre peut commencer. Un bain de 30 minutes à
17
45◦ C
dans une solution commerciale
18
CHAPITRE 3. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
de (N H4 )2 S et un rinçage à l'eau DI nous permet de passiver ecacement les dispositifs.
La dernière étape de passivation peut alors être faite ; le dépôt de nitrure par PECVD.
Puisque l'on eectue des mesures optiques, on veut garder un indice de réfraction semblable entre les deux types d'échantillons. C'est pour cela qu'ici, une passivation dite LF
consiste en un dépôt LF suivi d'un dépôt HF et une passivation dite HF consiste en un
dépôt HF suivi d'un dépôt LF. Il est à noter que seul le premier dépôt a un eet sur la
surface. Les couches ont des épaisseurs variant entre 20 nm et 50 nm.
3.1.1 Dispositifs électriques
Les étapes qui suivent sont eectuées pour obtenir des condensateurs de type MIS et permettre la caractérisation électrique (section 2.4.1) et électro-optiques (section 2.4.3). Pour
la première étape de photolithographie, une couche de résine photosensible Shipley S1800
est étalée sur les dispositifs et une image d'un (ou plusieurs) cercle d'environ 500 μm est
imprimée sur la résine. Il est à noter qu'à certaines occasions, un carré était utilisé à la
place d'un cercle. Malgré le changement de géométrie, les résultats devraient être semblables. Après un développement de la résine dans la solution commerciale de MF319, un
dépôt d'environ 10 nm d'or est eectué sur la surface préalablement passivée. La résine
est ensuite dissoute dans une solution de Remover 1165 et l'or qui se trouvait sur cette
résine est soulevé. La gure 3.1a représente les échantillons à ce moment de fabrication.
Cette couche d'or sert de fenêtre semi-transparente pour les faisceaux optiques. Une couche
épaisse (environ 400 nm) d'Al est déposée. Une autre étape de photolithographie est ensuite eectuée à l'aide d'un masque optique du même cercle de 500 μm, mais cette fois
percé d'un cercle d'environ 250 μm. Les échantillons sont surdéveloppés dans la solution
de MF319. Comme cette solution attaque l'Al, l'étape de développement sert aussi d'étape
de gravure. Une fois la résine dissoute dans le Remover 1165 et les échantillons nettoyés,
l'or se trouve sur le GaAs et l'aluminium sur l'or. Ils devraient ressembler au schéma de
la gure 3.1b.
Finalement, les échantillons sont montés sur un porte-échantillon en cuivre. Ils y sont xés
avec de la laque d'argent pour avoir un bon contact thermique et électrique. Des plaques
de céramiques avec des plots d'or sont aussi xées sur le porte-échantillon. Les faces avant
des dispositifs sont reliées aux plots d'or à l'aide de microsoudures.
◦
20
CHAPITRE 3. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
3.2.1 Mesures électriques
Toutes les mesures électriques C-V et I-V ont été prises à l'aide de la station sous pointe
hors salle blanche du LCSM. Une pointe de l'appareil est posée sur le contact avant de
l'échantillon et, comme la face arrière de l'échantillon est xée à un support de cuivre, la
seconde pointe est xée sur ce porte-échantillon. Dans le cas d'échantillon pour la PLE
(voir plus loin), le contact avant est aussi fait avec le l bnc du support pour s'assurer que
les soudures sont bonnes et qu'il n'y a pas de capacité parasite.
3.2.2 Photoluminescence
Les échantillons sont xés sur un support de cuivre avec de la laque d'argent. Le support
est vissé sur un doigt froid dans un cryostat. De la pâte thermique maintient un bon
contact thermique entre le doigt et le porte-échantillon. La température peut être descendue jusqu'à 20 K après que le vide ait été fait. À cette température le GaAs émet des
photons associés à une bande excitonique centrée à environ 822 nm.
La gure 3.2 représente un schéma du montage utilisé. Les sources laser qui ont été utilisées sont une diode laser émettant dans le vert (532 nm) et possédant une puissance de
sortie d'environ 50 mW et un laser HeCd ultra violet (325 nm) possédant une puissance
de sortie d'environ 25 mW. Le faisceau laser est modulé à environ 310 Hz par un hacheur
et passe par une lentille qui le focalise sur l'échantillon. Le diamètre de la tache laser est
estimé à environ 100 μm. La luminescence est récoltée par un système de deux lentilles
qui focalisent sur la fente d'entrée d'un spectromètre. L'angle d'arrivée du laser est tel que
sa réexion n'est pas collectée. Le spectromètre envoie ensuite la longueur d'onde choisie
dans un photomultiplicateur. Le signal passe ensuite dans un amplicateur de courant (de
type trans-impédance) avant d'arriver à l'amplicateur synchrone (Lock-In). Il est à noter
que dans le cas du laser HeCd, un ltre passe-bande est placé à la sortie de la source pour
bloquer certaines raies plasma.
3.2.3 Photoluminescence résolue en temps
Les échantillons sont xés sur un support en cuivre avec de la laque d'argent. Ce support
est vissé à un doigt froid d'un cryostat. Le doigt est relié à un réservoir d'azote liquide
à 77 K. Encore une fois, de la pâte thermique est utilisée pour maintenir bon contact
μ
22
CHAPITRE 3. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
Schéma du montage de PLRT avec détection par "up-conversion"
des fréquences dans un cristal NL.
Figure 3.3
harmonique à 400 nm). Le faisceau pompe, dans l'ultraviolet (UV), est focalisé sur l'échantillon pour provoquer sa luminescence. Comme expliquée dans le chapitre 2, la PL passe
par le spectromètre et va à la caméra. Un second faisceau, correspondant au résiduel de
la fondamentale à 800 nm, va frapper un photodétecteur qui active l'acquisition de la
caméra. La longueur des trajets est critique, mais reste pratiquement xe une fois ajustée. Il est à noter qu'une mesure sans illumination (du bruit) est soustraite des données
brutes pour réduire l'eet des défauts qu'il pourrait y avoir dans le système. De plus, les
données contenues dans les pixels des 40 dernières picosecondes des cinétiques contiennent
plusieurs défauts et sont donc supprimées lors du traitement.
3.2.4 Réectivité diérentielle résolue en temps
Comme les mesures sont faites à température et pression ambiantes, les échantillons sont
xés directement sur le support par du ruban adhésif double face.
Le laser utilisé est encore un oscillateur Ti :Saphir décrit précédemment. Comme le montre
le schéma du montage à la gure 3.4, le faisceau lumineux est séparé en un faisceau sonde
(environ 330 mW) et un faisceau pompe (environ 0.5 mW) par une lame demi-onde et
un cube séparateur de polarisation. Le faisceau pompe frappe l'échantillon perpendicu-
3.2. MONTAGES DE CARACTÉRISATIONS
23
lairement à la surface. L'incidence normale du faisceau pompe est telle que sa réexion
spéculaire ne vient pas perturber la mesure. La diusion de ce faisceau peut augmenter le
bruit de mesure. Pour diminuer cet eet, les deux faisceaux sont polarisés perpendiculairement et un polarisateur de rejet est utilisé dans le bras de détection. C'est dans le bras
du faisceau pompe que le hacheur est placé (position 1) pour synchroniser l'acquisition
de la variation de réectivité avec la diode principale. Il est à noter que la position 2 du
hacheur n'est utile que pour ajuster l'intensité de la sonde. Ce faisceau sonde frappe la
surface au même endroit que la pompe avec un angle d'environ 30◦ après être passé par
une ligne à délai. Finalement, la réexion est focalisée sur un photodétecteur de référence
et un autre qui mesure la réectivité modulée.
Figure 3.4
Schéma du montage de réectivité diérentielle résolue en temps.
3.2.5 Pompe-optique sonde-THz
Notre montage se trouve dans le laboratoire d'optique du Pr. D. Houde au centre hospitalier universitaire de Sherbrooke (CHUS). Les mesures sont eectuées à température
ambiante, mais sous vide (pour éviter l'absorption par la vapeur d'eau). An de passer
d'un échantillon à l'autre dans la cage à vide, les échantillons sont xés avec du ruban
adhésif sur un carrousel vertical comme le montre la gure 3.5.
La source laser utilisée est un oscillateur Ti :Saphir émettant des impulsions de 35 fs centrées à 800 nm, à un taux de 1 kHz. La puissance de sortie de ce laser atteint jusqu'à 5
24
CHAPITRE 3. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
Watts. Ce faisceau laser est divisée en trois faisceaux : un faisceau servant à générer le
rayonnement THz, un faisceau pompant des photoporteurs dans l'échantillon, et un faisceau optique utilisée pour la mesure de l'impulsion THz. Le faisceau THz est généré par
redressement optique dans un cristal de ZnTe de 2.5 cm de diamètre et de 1 mm d'épaisseur. Le faisceau d'excitation à incidence normale utilisé possède une puissance de 1 W.
Le faisceau THz passe ensuite à travers un échantillon et est mesuré par échantillonnage
électro-optique dans un cristal de ZnTe de 500 μm d'épaisseur. Un montage avec cellule
de Pockels est utilisé à cette n. La détection du changement de polarisation du troisième
faisceau (dit sonde optique) est faite à l'aide d'un amplicateur à deux photodiodes "Newfocus". Le faisceau pompe visible à 400 nm est obtenu par doublage de la fondamentale
à 800 nm dans un cristal NL de BBo. La puissance maximale de ce faisceau est d'environ
1.7 mW. Ce faisceau est focalisé sur la surface de l'échantillon avec un diamètre de 4 mm.
Des ltres interférentiels à 400 nm après le cristal doubleur coupent complètement la fondamentale à 800 nm. Avant de frapper l'échantillon, ce faisceau passe par une ligne à délai.
Figure 3.5
Photo du montage de mesure PO-ST.
3.2.6 Mesures optiques avec champ électrique
Les montages avec champ électrique sont très semblables à ceux sans champ. Les diérences sont que les échantillons sont branchés sur une source de tension, et que le faisceau
d'excitation doit passer par la couche semi-transparente d'or comme le montre le gure
3.1. Pour optimiser les mesures, on doit annuler le champ intrinsèque ce qui maximise les
recombinaisons radiatives. Pour ce faire, on doit redresser les bandes de conduction et de
valence en appliquant la bonne tension (V f b "at band voltage). Les mesures électriques
26
CHAPITRE 3. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
Schéma du montage de mesure d'antennes THz. L'antenne test est
positionnée au niveau de l'émetteur THz. Ce banc à 4 miroirs est aussi utilisé
pour étudier la transmission à travers des échantillons tests : ici le bras de pompe
optique n'est pas utilisé pour la caractérisation de nos antennes.
Figure 3.7
μ
4.2. PHOTOLUMINESCENCE
29
Le dispositif ayant été caractérisé a de très bons contacts. Le fait que l'allure de la courbe
C-V reste la même et que la valeur de la capacité dans les régimes d'inversion et d'accumulation soit presque identique avec et sans les ls de connections est un indicateur qu'il
n'y a pas de capacité parasite. Si l'un des ls était en contact avec un matériau oxydé, par
exemple, une capacité parasite serait induite en série avec la MIS et la forme de la courbe
C-V et la valeur de la capacité changerait grandement. Le petit décalage indique la présence d'une faible résistance. Eectivement, en mesurant la résistance série des contacts,
une résistance variant entre 0,1 Ω et 3 Ω selon les dispositifs a été trouvée.
4.2 Photoluminescence
Comme mentionné dans le chapitre 2, les pièges de surface sont des centres de recombinaison non radiatifs très ecaces. Ainsi, la recombinaison par ces défauts de surface est
en compétition avec l'émission PL. Comme le temps de recombinaison avec un défaut est
plus court que le temps de recombinaison bande à bande, il est logique de croire qu'une
forte densité d'états réduit le nombre de porteurs disponible pour l'émission PL.
La gure 4.3 montre l'eet de l'augmentation du dopage sur les spectres de PL. Les
échantillons de type n ont un dopage sous 1016 cm−3 et ceux de type n+ ont un dopage
d'environ 1018 cm−3 . Les mesures sur des échantillons fortement dopés, représentées à la
gure 4.3a, montrent une bande d'émission dont le maximum est autour de 825 nm et
qui est élargie vers les basses énergies. Cet élargissement est caractéristique des recombinaisons électrons-trous à partir de niveaux donneur (apparition possible d'une bande
d'impuretés) vers la bande de valence. La comparaison des intensités de PL des diérents
échantillons montre une plus forte émission PL pour un échantillon passivé à l'aide d'un
dépôt PECVD à haute fréquence avec un rapport d'environ 1.1. On note également un
décalage du maximum d'intensité PL vers les plus hautes énergies. Pour la passivation
par dépôt PECVD basse fréquence, on ne note aucune amélioration du signal de PL comparé à celui de l'échantillon de référence non passivé. Ces résultats ont pu être reproduits
sur diérents points de la surface et sur d'autres échantillons traités de la même façon.
Nous reviendrons sur l'interprétation de ces résultats plus loin dans ce paragraphe. En
ce qui concerne la forte intensité de PL observée sur les échantillons de type n+, il est
suggéré que ceci provient d'une largeur de zone de déplétion bien inférieure à la longueur
de pénétration du faisceau laser d'excitation. En eet, pour un dopage de 1018 cm−3 et un
niveau de Fermi ancré en milieu de gap en surface de l'échantillon, on obtient une zone
Wdep
Wabs
4.2. PHOTOLUMINESCENCE
31
1.6. L'augmentation de ce signal de PL a été vériée en observant à diérents points sur
la surface des échantillons et en étudiant plusieurs séries d'échantillons traités dans des
conditions similaires. L'important eet de ce traitement de passivation sur le signal de PL
est lié à une réduction notable de la densité d'états de surface et au fait que les photoporteurs sont majoritairement générés dans la zone de déplétion de surface. Pour un niveau
de dopage de 1016 cm−3 et en supposant une barrière de surface d'environ 0.7 eV (niveau
de Fermi ancré en milieu de gap) on obtient une zone de déplétion de surface d'environ
310 nm (10 fois plus grande que celle trouvée pour un dopage de 1018 cm−3 ). Comme
cette valeur est supérieure à la longueur de pénétration du faisceau laser d'excitation, le
champ de surface va séparer les charges et favoriser la recombinaison non radiative via
les défauts de surface. Une diminution de la densité d'états surfaciques se traduira par
une réduction du champ électrique présent dans la zone de déplétion ainsi que par une
diminution du taux de recombinaison en surface. Pour ce qui est de l'intensité d'émission
des échantillons passivés par dépôt HF-PECVD, on note une légère diminution du signal
de PL suite au traitement (le ratio Ipass /Iref varie entre 0.6 à 1 pour diérents points sur
la surface). Ces résultats obtenus pour les deux types de traitement de passivation sont
en accord avec les mesures électriques, à savoir que le dépôt LF-PECVD est plus ecace
pour réduire la densité d'états de surface. L'eet néfaste du traitement de passivation par
dépôt HF-PECVD peut être expliqué par l'insertion de nouveaux défauts durant l'une
des étapes de procédé. De plus, comme mentionné en annexe, sur certains échantillons le
traitement de passivation par dépôt HF-PECVD ne semblait pas uniforme, ainsi il est supposé que la surface ait été endommagée et que c'est pour cette raison que les échantillons
de référence, qui n'ont subi aucun traitement autre qu'un nettoyage, ont une meilleure
émission. Cet eet devrait être aussi perçu sur les échantillons ayant subi le traitement
LF-PECVD. Par contre, si le procédé de passivation est susamment ecace, il est possible qu'il contrebalance l'eet de la fabrication variable susamment pour augmenter
la qualité de la surface. Même si le procédé de fabrication a induit des défauts (charges
en surface, rugosité ou autre), la comparaison entre les deux types de passivation (sans
la référence) reste valable, car ils ont subi le même traitement. Notons encore une fois
que Camille Maxime a obtenu des résultats similaires lors de son stage au CRN2 ; les intensités de PL pour ses échantillons de type n étaient plus faibles que celles de sa référence.
La gure 4.4, montre les spectres de PL d'une série d'échantillons non dopés, mais ayant
été traités via des procédés de passivation diérents. (Seul un des deux échantillons I1014D
et I1014E a été recuit, mais un mauvais suivi des échantillons a fait que nous ne savons
pas avec certitude lequel (il est fortement supposé que l'échantillon I1014E ait subi le dit
32
CHAPITRE 4. RÉSULTATS ET ANALYSES
recuit)). Il est possible de voir que seulement les échantillons I1014E et I1014A ont une
émission PL plus grande que l'échantillon de référence avec un ratio Ipass /Iref d'environ
4.7 et 1.2 respectivement. Dans le cas des échantillons non dopés, il ne devrait pas y
avoir de champ de déplétion en surface, ainsi tous les traitements de passivation qui réduisent eectivement la densité d'états surfaciques devraient être bénéques sur le signal
de PL. Ce n'est pas ce qui est observé ici. En eet, pour la passivation par dépôt PECVD
(basse fréquence et haute fréquence), le signal de PL est réduit en comparaison à celui de
l'échantillon de référence. Ceci pourrait alors être expliqué par le fait que la réduction de
la densité des pièges de surface est compensée par une augmentation de défauts liés aux
dommages induits par le bombardement électronique et ionique de la surface ou encore par
l'une des étapes du procédé de fabrication (gravure, nettoyage, etc.). Ainsi l'amélioration
du signal de PL observée sur les échantillons passivés au soufre et recuits, suggérerait que
c'est le procédé de choix pour réduire la densité d'états surfaciques. L'échantillon passivé
par la solution de soufre seulement présente la plus faible émission de PL. C'est le seul
échantillon à ne pas avoir subi de recuit, car les échantillons qui ont reçu un dépôt PECVD
ont été chaués dans le réacteur (ce qui aecte la couche de soufre). Cela indique que le
recuit est une étape cruciale de la passivation au soufre. La reproduction de ces mesures
devra être eectuée.
Si on part d'une autre hypothèse de départ sur le champ de déplétion en surface, alors
l'analyse des résultats sera diérente. Ainsi, il pourrait exister un faible champ de déplétion en surface des échantillons non dopés lié à la présence d'impuretés chargées en
surface. Le traitement au soufre élimerait ce type d'impuretés tout en réduisant de façon
signicative la densité d'états surfaciques. Le bombardement ionique et électronique de la
surface, inhérent au dépôt PECVD, aurait aussi pour eet d'éliminer ces impuretés sans
éliminer totalement les autres types de défauts de surface. On pourrait alors se retrouver
dans une situation où le champ électrique de surface, qui tend à séparer les charges, est
réduit. En l'absence de champ électrique, il y aurait globalement plus de porteurs pouvant
se recombiner de façon non radiative avec des pièges de surface (qui ne sont pas éliminés totalement pour ce type de traitement de passivation). Des simulations des équations
d'évolution spatiale et temporelle des populations d'électrons et de trous, qui tiennent
compte de la diusion et de la dérive des porteurs ainsi que des mécanismes de recombinaison en volume et en surface, doivent être faites an de supporter une telle explication
et de déterminer l'amplitude du champ électrique nécessaire pour observer un eet. Ce
type de simulation dépasse le cadre de ce travail de maîtrise qui est plus à caractère ex-
34
CHAPITRE 4. RÉSULTATS ET ANALYSES
pièges en surface si elles sont en faible densité ce qui masquerait totalement le phénomène
que nous voulons observer. Ainsi, il est dicile de tirer des conclusions claires sur l'inuence du traitement de passivation sur la densité d'états de surface simplement à partir
de mesures de PL en continu. Voilà pourquoi nous avons tenté de corréler les mesures de
PLC à des mesures de photoluminescence résolue en temps.
4.3 Photoluminescence résolue en temps
La gure 4.5 montre les cinétiques du signal de PL acquis à l'aide du montage de détection
par conversion des fréquences vers le haut dans un cristal non linéaire. Les lissages ont été
faits avec le logiciel OriginLab en prenant en compte une montée exponentielle avec un
temps tr et une décroissance exponentielle avec un temps td . L'expression 4.1 a été utilisée
pour le lissage.
IP L = A(e−(t−t0 )/td − e−(t−t0 )/tr )
(4.1)
A représente un facteur de proportionnalité pour l'amplitude du signal et t0 correspond à
un délai arbitraire du zéro de corrélation entre l'impulsion d'excitation et l'impulsion de
PL. Dans tous les cas, le temps de montée a été xé à environ 300 fs. Cette valeur équivaut
à la largeur des impulsions laser étirées par la traversée des divers éléments dispersifs du
montage (noter que le temps de relaxation intrabande est très court dans le GaAs, soit
également de l'ordre de 300 fs).
Pour les échantillons possédant un fort niveau de dopage, on observe une décroissance quasi
mono-exponentielle du signal de PL avec un temps de vie des photoporteurs relativement
long, soit environ 550 ps. Bien, qu'un temps de vie un peu plus faible est observé pour
l'échantillon de référence, la précision sur la mesure est trop faible (faible reproductibilité)
pour conclure que cette diérence est due au traitement de surface. Dans les conditions
d'excitation de l'expérience ( λ=780 nm, donc grande profondeur de pénétration > 500
nm), on n'observe pas d'eet de la passivation sur les cinétiques du signal de PL. Comme
mentionné précédemment, la zone de déplétion des échantillons avec un fort dopage est
peu profonde. Ainsi, les photoporteurs générés se recombinent majoritairement dans le
volume, car la diusion des porteurs vers la surface est relativement lente : la distribution
initiale de photoporteurs (suite à l'excitation laser pulsée) favorise plutôt une diusion des
≤
36
CHAPITRE 4. RÉSULTATS ET ANALYSES
pôt à basse fréquence constitue un meilleur traitement de passivation de ce type de surface.
Ces résultats renforcent ceux obtenus en PL continu. Étant donné que les temps de recombinaison des porteurs sont plus longs que la résolution temporelle de la caméra à balayage
de fente (soit environ 10 ps), nous pouvons également utiliser cet appareil pour l'étude
de la dynamique de recombinaison des porteurs de nos divers échantillons. L'intérêt de
cet appareil est relié au fait qu'il est beaucoup plus rapide pour eectuer une série de mesures (spectrales et temporelles) en fonction de la densité d'excitation laser, de la longueur
d'onde d'excitation et de la température des échantillons. On peut dans une seule mesure
d'une trentaine de secondes obtenir une représentation 3D des signaux de PL en fonction
de la longueur d'onde et du temps. Comme la caméra est couplée à un amplicateur laser
de puissance (jusqu'à 3W en continu à 82 MHz et à 800 nm), il est possible d'utiliser
un amplicateur paramétrique et des étages de doublage de fréquence an de générer des
impulsions pompe laser à diérentes longueurs d'onde. Pour l'étude de l'inuence des traitements de passivation de surface sur les signaux de PL, il est ainsi préférable d'utiliser des
photons d'excitation à haute énergie (dans l'UV) an de générer des photoporteurs plus
près de la surface des échantillons. Ainsi, le signal de PL provenant de la surface est moins
dilué dans le signal qui provient du volume et l'inuence de la petite zone de déplétion
des échantillons n+ est plus signicative.
Les gures 4.6, 4.7 et 4.8 montrent les résultats des représentations 3D des signaux de PL
mesurés en fonction de la longueur d'onde et du temps, obtenues à l'aide de la caméra à
balayage. Noter que nous avons préparé une nouvelle série d'échantillons sur substrat non
dopé pour ces mesures avec la SCam, car nos échantillons sur substrats dopés de type n
et n+ ont été sacriés pour la fabrication des structures MIS. Ces signaux ont été obtenus
en excitant les échantillons avec des impulsions laser de 100 fs, dont la longueur d'onde
centrale se situe autour de 266 nm. Les signaux ont été enregistrés pour deux températures d'échantillon (77 et 300 K) et pour deux puissances d'excitation (0.2 mW et 2 mW)
mesurées en continu. En comparant les gures 4.8 et 4.7, il est possible de voir qu'une
augmentation de la température de l'échantillon se traduit par un décalage vers le rouge
et un élargissement de la bande d'émission, de même que par une diminution du temps
de vie des phototoporteurs. Le décalage vers le rouge est lié à la diminution du gap du
GaAs avec la température. L'élargissement de la bande d'émission (observable surtout à
court temps) est principalement lié à l'inuence de la température sur les distributions de
Fermi-Dirac des électrons et des trous. L'inuence de la température sur le temps de vie
IP L = Erf c(−(t − t0 )/tr )(A1 e−(t−t0 )/t1 + A2 e−(t−t0 )/t2 ) − y0
t0
tr
A1
A2
t1
t2
y0
y0 = 0
tr
40
CHAPITRE 4. RÉSULTATS ET ANALYSES
lations distinctes de porteurs. On attribue le temps court aux recombinaisons de surface
et le temps long aux recombinaisons de volume. Ce modèle est certainement mal adapté
à la physique du problème, car les mécanismes de transport et de recombinaison sont
interreliés. Comme le montrent les lissages de la gure 4.9, ce modèle permet tout de
même de reproduire assez dèlement l'ensemble des points expérimentaux. Par contre, les
cinétiques pour certains échantillons sont mieux reproduites à l'aide d'une simple fonction
de décroissance exponentielle. Le signal à 300 K pour 0.2 mW de puissance d'excitation
était trop faible pour être mesurable. En comparant les temps de vie des photoporteurs
en fonction de la puissance d'excitation, on constate une faible augmentation de t1 et une
faible diminution du ratio A1 /A2 . Cela nous indique qu'une plus grande proportion des
photoporteurs générés se recombinent dans le volume. C'est causé par le fait que, comme
leur densité est plus élevée, la diusion vers le volume est plus grande. La croissance continue du temps t1 avec la puissance d'excitation suggère qu'une des situations d'écrantage
du champ surfacique ou de saturation des pièges de surfaces est évitée. Bien qu'il soit
possible que les deux soient évitées, on ne peut pas le conrmer. De plus, ces mesures nous
laissent croire que, même à 2 mW, il n'y a pas (ou très peu) de recombinaison Auger.
L'analyse des paramètres de lissage du tableau 4.1 montre qu'à 77 K, il existe une corrélation entre la grandeur du temps de vie et le ratio A1 /A2 . Ainsi on peut armer qu'un
bon traitement de passivation de surface aura pour conséquence de réduire le ratio A1 /A2
et d'augmenter le temps de vie des photoporteurs. Ici, comme pour les mesures d'intensité PL, c'est le traitement de passivation au soufre et recuit qui permet d'obtenir les
meilleures caractéristiques, soit un temps t1 de 100 ps et un ratio A1 /A2 de 1.9. Les pires
caractéristiques sont obtenues pour l'échantillon ayant subi le traitement de passivation
au soufre suivi d'un dépôt LF-PECVD. Ces résultats coïncident avec ceux obtenus à 300 K.
4.5. POMPE-OPTIQUE SONDE-THZ
45
Pour l'application du champ électrique je n'en parlerais pas, car nos essais ont montré que
le signal est plus sensible à ce qui se passe dans le métal que dans la couche.
4.5 Pompe-optique sonde-THz
Le graphique de la gure 4.11 représente les résultats des mesures PO-ST prises au CHUS.
Des échantillons ayant subi diérents procédés de passivation ont été étudiés. Les lissages
ont été faits avec le logiciel OriginLab de la même manière que pour les mesures de PLRT
avec le montage utilisant la SCam. Quand les résultats des lissages n'indiquaient qu'un seul
temps de vie (t1 ∼ t2 ), un lissage avec une seule descente étaient alors utilisé. Des oscillations sont observées sur toutes les mesures. Ces oscillations du signal peuvent être causées
par des réexions multiples sur un ltre. La montée graduelle du signal observée pour
l'échantillon I1014E est dicile à interpréter ; elle pourrait provenir d'un dé-alignement
du faisceau pompe lorsque la ligne à délai se déplace. Toutefois comme la taille du faisceau
pompe est de 4 mm sur l'échantillon un léger déplacement de ce faisceau ne devrait pas
aecter le signal ainsi. Sans comprendre parfaitement l'origine de cet eet, nous croyons
qu'il est nécessaire de répéter l'expérience sur des couches minces (1 μm) de matériau où
l'eet de la distribution des porteurs dans le volume de la couche sur le signal de photoconductivité pourrait vraiment être minimisé. En supposant que l'alignement reste le même
tout le long de l'acquisition et pour tous ces échantillons, il est tout de même possible de
comparer les temps de vie entre ces dispositifs. Encore une fois, le temps de vie le plus
court est obtenu par l'échantillon passivé par le traitement au soufre et LF-PECVD et le
plus long par l'échantillon passivé par la solution de soufre et recuit. Cela vient conrmer
les résultats des autres mesures. Avec les oscillations, les lissages sont moins bons : il faudrait donc trouver aussi l'origine de celles-ci et tenter de les réduire.
4.6 Mesures optiques avec champ électrique
Des mesures PL et PLRT ont été eectuées en présence d'un champ électrique : DC seul
et DC et AC. Une tension entre -5 V et 12 V était utilisé pour un champ DC et une oscillation entre 1 kHz et 10 kHz de 10 mV à 30 mV servait de composante AC. Des longueurs
d'ondes d'excitation de 800 nm, 532 nm, 400 nm et UV et des températures variant entre
300K et 20K ont été utilisées sans succès. Des corrélations entre le champ électrique et les
mesures optiques n'ont pu être établies. La gure 4.12 montre un graphique typique des
48
CHAPITRE 4. RÉSULTATS ET ANALYSES
4.7 Mesures des antennes THz
Dans cette section nous comparons les caractéristiques d'une antenne d'émission THz fabriquée sur un substrat de GaAs :H (bombardé aux protons) non passivé à celles de deux
antennes fabriquées sur le même type de substrat, mais ayant subi un traitement de passivation à l'aide d'un dépôt LF-PECVD. Tel que mentionné à la section 3.1.2, le choix
de ce traitement est lié à une bonne compatibilité avec le procédé de fabrication de nos
antennes. Mentionnons qu'une étude comparable a déjà été eectuée par C. Headley et al.
[Headley et al., 2011]. Pour cette étude les auteurs ont utilisé un traitement de passivation
chimique au soufre suivit d'une encapsulation de nitrure de silicium par dépôt PECVD.
L'alignement des lentilles de Si de collection est assez critique. Les mesures des traces THz
et des spectres fréquentiels associés, pour les trois antennes étudiées, se trouvent à la gure
4.13. Comme mentionnées dans la section 3.2.7, les mesures ont été prises dans l'environnement humide de la pièce. C'est pour cette raison que les spectres présentent de nombreuses
bandes d'absorption [Rosker et Wallace, 2007] et que des mesures sous une atmosphère
d'azote sec aurait été préférables. Nos résultats indiquent qu'une passivation LF-PECVD
permet d'améliorer l'intensité THz émise de même que la largeur du spectre (entre 0.5
THz et 1 THz), en accord avec les travaux de C. Headley et al. [Headley et al., 2011]. Ces
améliorations peuvent être associées à une augmentation de la mobilité des porteurs causée
par une réduction de la densité d'états de surface (réduction des pièges). L'amélioration
du spectre à basse fréquence peut être attribuée au changement de mécanismes d'émission. Encore selon C. Headley et son équipe, les dispositifs passivés émettraient plus par
eet Dember que ceux non passivés. Notons que nous avons aussi mesuré un photocourant
plus grand (0.3 mA versus 0.11 mA) sur les antennes passivées. Cet eet pourrait être lié
à une résistivité de couche plus faible (la mesure n'a pas été faite), mais pourrait aussi
être lié au changement d'indice de réfraction associé à la couche de nitrure de silicium.
Ainsi, une partie de l'augmentation du signal THz pourrait provenir d'une plus grande
transmission du faisceau d'excitation à l'interface air/couche passivée/GaAs. Des mesures
sur diérentes surfaces pourront nous en indiquer plus.
Au niveau de l'ajustement du faisceau d'excitation pour l'obtention d'un maximum de
signal THz, on peut noter une diérence notable entre les deux types d'antennes qui mériterait d'être revalidée. En eet, pour les antennes non passivées avec 80 μm d'écart entre
les électrodes, on observe toujours une corrélation entre le maximum de signal THz détecté et le maximum de photocourant mesuré. Ce maximum de signal est obtenu lorsqu'on
μ
μ
μ
50
CHAPITRE 4. RÉSULTATS ET ANALYSES
CHAPITRE 5
CONCLUSION
Ce travail de maîtrise a permis d'étudier : i) l'inuence de divers traitements de passivation des surfaces de substrat de GaAs sur les propriétés de transport et la dynamique
de piégeage et de recombinaison des photoporteurs et ii) l'impact de ces traitements de
passivation sur les signaux de luminescence et sur le temps de vie des photoporteurs dans
des substrats dopés diéremment. Ceci a été fait en étudiant plusieurs séries d'échantillons
(substrat de type n+, n et non-dopé) ayant subi divers traitements de passivation de surface (référence non passivée, passivation au soure, passivation via un dépôt PECVD de
SiNx eectué à basse ou à haute-fréquence). Cette étude a permis d'établir certaines corrélations entre les résultats tirés de plusieurs types de caractérisation : mesures C-V, PL,
PLRT, RDRT, et PO-ST.
Les mesures C-V, eectuées sur des structures MIS fabriquées sur substrats de type n+ et
n, ont permis de montrer que les traitements de passivation par un dépôt PECVD libèrent
l'ancrage du niveau de Fermi créé par la forte densité d'états de surface par l'observation
des trois régimes typiques d'une capacité MIS. Ce résultat nous indique que ce traitement
de passivation réduit la densité d'états à la surface du GaAs. La modulation des bandes,
par l'application d'une diérence de potentiel sur les dispositifs, est plus grande pour les
échantillons ayant subi un traitement de passivation LF-PECVD que pour ceux qui ont
subi un traitement HF-PECVD. Cela nous indique que le traitement à basse fréquence élimine une plus grande partie de la densité d'états surfacique. Ces résultats sont en accord
avec les résultats antérieurs.
En ce qui concerne les mesures optiques en régimes stationnaire (PL) et transitoire (PLRT),
eectuées sur les deux mêmes types de substrat (n+ et n), nos résultats ont montré qu'on
pouvait établir une corrélation entre l'intensité des signaux de PL et le temps de vie des
photoporteurs, pour chaque type de traitement de passivation. L'amélioration de ces caractéristiques (IP L et τvie) dépend toutefois du niveau de dopage du substrat. En eet
sur le substrat de type n+, on observe peu d'inuence du traitement de passivation sur
IP L et sur le τvie (550 ps mesuré en PLRT). Toutefois sur le substrat de type n, on note
que c'est le traitement par dépôt LF-PECVD qui permet une plus grande amélioration du
51
52
CHAPITRE 5. CONCLUSION
signal de PL. Le temps de vie mesuré en PLRT (80 ps) est également plus grand que celui
de l'échantillon ayant subi un dépôt HF-PECVD (70 ps). Ces comportements sont liés à
l'inuence du niveau de dopage sur l'étendue de zone de déplétion. Des eets importants
du traitement de passivation sont observés dans des conditions où les photoporteurs sont
générés dans la zone de déplétion (ce qui est le cas pour nos mesures sur substrats de
type n). Les mesures de RDRT font exception. Comme elles sondent plus spéciquement
la surface, on suppose qu'elles sont moins inuencées par les diérences de profondeur
des zones de déplétion causées par les diérents dopages. C'est pour cette raison que l'inuence du traitement de passivation peut aussi être observée sur les échantillons de type
n+. Malgré le fait qu'il ne soit pas possible de conclure sur le meilleur procédé de traitement de surface avec les mesures de RTRT, il est possible d'armer que, comme les temps
de vie augmentent d'un facteur 2.6 à 11.2 (selon le type d'échantillon et du traitement
reçu), le traitement de passivation par dépôt PECVD améliore le temps de vie des porteurs. L'analyse de nos résultats a aussi permis de discuter de l'importance des conditions
expérimentales (température, longueur d'onde d'excitation et puissance d'excitation) sur
la mesure des signaux de PL et du temps de vie des photoporteurs. En eet, λ joue sur la
profondeur de pénétration, la Pexc joue sur le champ local en forte excitation, et T joue
sur les propriétés de transport.
Les mesures optiques des structures MIS sous champ électrique n'ont pas donné les résultats escomptés. En eet, nous n'avons pas été en mesure de voir un eet de la tension
appliquée sur le signal de PL. Ce résultat négatif reste incompris considérant que les mesures C-V ont montré que la modulation des bandes est possible après nos traitements de
passivation.
Par ailleurs, an de mieux comparer les résultats tirés de diverses techniques de caractérisation optique, nous avons également étudié une série d'échantillons sur substrat semiisolant. Les résultats de PL montrent que c'est le traitement de passivation dans la solution
de soufre suivi d'un recuit qui améliore d'un plus grand facteur l'émission de l'intensité
de PL (4 fois plus que le traitement au soufre suivi d'un dépôt LF-PECVD). Dans l'ensemble, les diverses mesures résolues en temps montrent tous une décroissance mono- ou
bi- exponentielle du signal (PL, réectivité ou photoconductivité) et l'augmentation la
plus signicative de ces temps de décroissance est obtenu, encore ici, pour le traitement de
passivation au soufre suivi d'un recuit. Malgré le fait que les temps de décroissance tirés
des diérentes mesures dièrent, nous avons tout de même été capables d'établir une ten-
53
dance liée au type de traitement de passivation de surface. De plus les temps les plus longs
sont obtenus sur les échantillons pour lesquels le signal de PL est également plus intense.
Une analyse approfondie des mesures optiques résolues en temps nécessiterait le recours
à des simulations numériques des équations de transport et de recombinaison des porteurs.
On peut toutefois dégager quelques constats importants :
-la technique RDRT est celle qui a permis de mesurer les plus faibles temps de décroissance des signaux (temps court de l'ordre de la ps). Nous présumons que ce temps court
correspond au temps de piégeage ultrarapide des porteurs. Cette technique semble donc
être la plus sensible aux défauts de surface. Malheureusement, cette technique requiert
des alignements diciles et les signaux sont très sensibles aux conditions expérimentales.
Notons qu'on pourrait mieux exploiter des mesures en fonction de la Pexc an de voir
l'eet du remplissage des pièges sur la cinétique des signaux.
- la technique PLRT montre toujours une plus grande contribution des photoporteurs se
recombinant dans le volume. Le choix de la longueur d'onde d'excitation donne toutefois
accès un paramètre de contrôle supplémentaire pour étudier l'importance de la distribution
en profondeur initiale des photoporteurs sur la cinétique des signaux de PL. Le nouveau
montage de PRLT couplé à la caméra à balayage de fentes est tout à fait adapté aux
mesures en fonction de la T, Pexc et de λexc .
- la technique PO-ST a été utilisée pour la première fois au sein du groupe pour l'étude
de l'inuence du traitement de passivation de surface sur la mesure de photoconductivité
dans le GaAs. Les quelques résultats obtenus ont été très concluants. Cette technique
permet eectivement de sonder les propriétés de transport parallèlement à la surface du
substrat ainsi que la dynamique de recombinaison des photoporteurs. Cette technique est
particulièrement bien adaptée à l'étude des nanols, mais dans le cas de couches épaisses
le signal semble dominé par le transport des photoporteurs loin de l'interface du substrat,
et ce, même lorsque l'absorption se fait plus en surface en pompant à 400 nm. Dans la
poursuite de ces travaux, il sera intéressant de refaire le même type de mesures sur des
couches minces transférées sur substrat transparent dans le THz.
Finalement, en vue de tester une application concrète d'un traitement de passivation de
surface par le dépôt LF-PECVD d'une couche de SiN x à l'amélioration d'un dispositif
optoélectronique, nous avons étudié l'inuence d'un tel traitement sur les caractéristiques
d'une antenne photoconductrice fabriquée sur substrat de GaAs :H semi-isolant. Nos résultats ont montré que l'intensité THz émise est augmentée et que le spectre fréquentiel
54
CHAPITRE 5. CONCLUSION
de l'impulsion est plus large entre 0.5 THz et 1 THz. Ces résultats ouvrent une porte vers
une application directe de nos traitements de passivation.
ANNEXE A
ÉCHANTILLONS
A.1 H06X
Les quatres échantillons H062 (A, B, C et D) sont issus d'une gaure n+ qui possède déjà
un contact sur la face arrière. Les trois échantillons H062 (A, B et C) sont issus d'une
gaure n qui ne possède pas de contact sur la face arrière. Ils ont d'abord été dégraissés
dans des bains de 5 minutes successifs d'Opticlear, acétone, IPA et d'eau désionisé (DI)
et séchés par jet d'azote. Par la suite, une désoxidation a été eectuée : 10 secondes dans
une solution de N H4 OH : H2 O2 : H2 0 (1 :1 :5), 30 secondes dans du HCl : H2 O2 : H2 0
(1 :1 :6) et 30 secondes dans du HF : H2 O (1 :1). Entre chaque bains de l'étape de désoxidation, les échantillons étaient rincés environ 5 secondes dans un bain d'eau DI propre
et séché rapidement par jet d'azote. Finalement, les dispositifs H062A et H063A ont été
passivés par un dépôt PECVD de SiN à basse fréquence et les dispositifs H062B et H063B
par un dépôt à haute fréquence. Les autres n'ont pas été passivé du tout.
Visuellement, la passivation n'est pas uniforme sur ces dispositifs. De plus, après les premières mesures de PL, la surface des échantillons a été contaminée par de la laque d'argent
ce qui réduit grandement les propriétés optiques de ceux-ci.
A.2 H2XX
Les quatres échantillons H269 (A, B, C et D) sont issus d'une gaure n+ qui possède un
contact sur la face arrière. Les quatres échantillons H270 (A, B, C et D) sont issus d'une
gaure n qui ne possède pas de contact sur la face arrière. Les échantillons H759 (A à
M) sont issus d'une gaure n qui possède un contact GeNiAu sur la face arrière. Ils ont
d'abord été dégraissés dans des bains de 5 minutes successifs d'Opticlear, acétone, IPA et
d'eau désionisé et séchés par jet d'azote. Par la suite, une désoxidation a été eectuée :
10 secondes dans une solution de N H4 OH : H2 O2 : H2 0 (1 :1 :5), 30 secondes dans du
HCl : H2 O2 : H2 0 (1 :1 :6) et 30 secondes dans du HF : H2 O (1 :1). Entre chaque bains
de l'étape de désoxidation, les échantillons étaient rincés environ 5 secondes dans un bain
d'eau DI propre et séché rapidement par jet d'azote. Finalement, les dispositifs H269A,
H269B, H270A, H270B, H759D, H759E et H759F ont été passivés par dépôt PECVD de
SiNx à haute fréquence, les échantillons H269C, H269D, H270C, H270D, H759A, H759B
et H759C à basse fréquence et les autres n'ont subi aucun traitement de passivation de
surface. Visuellement, la passivation est uniforme.
55
56
ANNEXE A. ÉCHANTILLONS
Après les mesures optiques, un dépôt de 10 nm de chrome suivi de 150 nm d'aluminium a
été eectué sur les échantillons A et C dans le but d'eectuer des mesures tests de PL-E. Il
est à noter qu'il y avait en fait 30 nm de chrome ce qui rendait les mesures PL impossible.
Les détails des lithographies et des gravures ne sont pas importants ici.
Dans le but de réutiliser les échantillons H270, les métaux ont été gravés pendant 30
minutes dans le MF319 (sur-gravure d'aluminium) suivi de 5 minutes dans le CR7S10
(sur-gravure d'or). Des traces évidentes d'aluminium sont toujours visibles sur l'échantillon A. Après une lithographie, 10 nm d'or (couche semi-transparente) a été déposé sur
l'échantillon H269C et un soulèvement a été eectué laissant trois carrés d'environ 500
μm2 , trois cercles de 500 μm de diamètre et des marques d'alignement. Ensuite, 200 nm
d'aluminium (contacts face avant) est déposé. Une lithographie et une gravure dans le
MF319 permet de naliser les dispositifs. Les lithographies ont été faites à l'aide du système à écriture directe de l'IMDQ. L'échantillon s'est brisé pendant la gravure ce qui laisse
seulement 3 des 6 dispositifs fonctionnel.
A.3 I1014
Les échantillons (A à E) sont issus d'une gaure non dopé sans contact sur la face arrière.
Ils ont d'abord été dégraissés via un bain de 10 minutes d'Opticlear, 10 minutes d'acétone à
70◦ C, 5 minutes d'IPA à 70◦ C et 10 minutes d'eau DI et séchés par jet d'azote. Par la suite,
une désoxidation a été eectuée : 10 secondes dans une solution de N H4 OH : H2 O2 : H2 0
(1 :1 :5), 30 secondes dans du HCl : H2 O2 : H2 0 (1 :1 :5) et 30 secondes dans du HF .
Entre chaque bains de l'étape de désoxidation, les échantillons étaient rincés environ 5
secondes dans un bain d'eau DI propre et séché rapidement par jet d'azote. Les dispositifs ont ensuite été trempés dans un bain à 45◦ C dans la solution commerciale de (N H4 )2 S .
L'échantillon A a reçu un dépôt PECVD à basse fréquence et le B à haute fréquence.
L'échantillon C devait servir de référence, 2 minutes dans une solution de N H4 OH et 3
minutes à 200 W dans un plasma O2 ont été eectués pour enlever la couche de passivation. Comme aucun recuit n'avait été fait, ces gravures sont susantes pour enlever le
soufre. Finalement un recuit a été fait sur l'échantillon D ou E. Avec les résultats, il est
supposé que l'échantillon E ai subit le dit recuit.
A.4 F968H
Ces échantillons (C, D et E) proviennent d'une gaure non intentionnellement dopée. Ils
ont subi une implantation ionique à trois énergies puis ont été recuits dans un four RTA.
Les échantillons ont ensuite été dégraissés dans un bain de 10 minutes d'Opticlear, 10
minutes d'acétone à 70◦ C, 5 minutes d'IPA à 70◦ C et 10 minutes d'eau DI et séchés par
A.4. F968H
jet d'azote.
57
Par la suite, une désoxidation a été eectuée sur les échantillons D et E : 10 secondes dans
une solution de N H4OH : H2O2 : H20 (1 :1 :5), 30 secondes dans du HCl : H2O2 : H20
(1 :1 :5) et 30 secondes dans du HF . Entre chaque bain de l'étape de désoxidation, les
échantillons étaient rincés environ 5 secondes dans un bain d'eau DI propre et séchés rapidement par jet d'azote. Les dispositifs ont ensuite été trempés dans un bain à 45◦C dans la
solution commerciale de (N H4)2S . Ces deux substrats ont ensuite reçu un dépôt PECVD
à basse fréquence.
Ensuite, après une lithographie, une évaporation de Ni-Ge-Au et un soulèvement est effectué pour former des antennes. Pour terminer la fabrication, un recuit thermique dans
un four RTA forme l'alliage du métal.
58
ANNEXE A. ÉCHANTILLONS
LISTE DES RÉFÉRENCES
Ahaitouf, A., Bath, A. et Lepley, B. (1991). Photoluminescence intensity study of n-inp
mis structures realized with a native oxide insulator lm. Phys. stat. sol., volume 127,
p. 159.
Ando, K. et Yamaguchi, A. M. (1981). Flat band state determination of mis and schottky
interfaces by modulated photoluminescence method. Jpn. J. Appl. Phys., volume 20,
p. 1335.
Aspnes, D. E. et al. (1986). Optical properties of alxga1−xas. J. Appl. Phys., volume 60,
p. 754.
Beaudoin, A. (2013). Étude de la dynamique des porteurs dans des nanols de silicium
par spectroscopie terahertz. (Mémoire de maîtrise). Université de Sherbrooke, 156 p.
Berglund, C. N. (1966). Surface states at steam-grown silicon-silicon dioxide interfaces.
IEEE Transactions on electron devices , volume 13.
Boyd, R. W. (2008). Nonlinear Optics, Third Edition . Elsevier, 672 p.
Chang, R., Iyer, R. et Lile, D. (1987). Surface characterization of inp using photoluminescence. J. Appl. Phys., volume 6, p. 1995.
Cricenti, A. (2004). Surface dierential reectivity for studying surface state optical transitions, a review. J. Phys. : Condens. Matter, volume 16, p. S4243S4258.
Gfroerer, T. (2000). Photoluminescence in analysis of surfaces and interfaces. Encyclopedia
of analytical chemistry., p. 92099231.
Hasegawa, H. et Akazawa, M. (2008). Interface models and processing technologies for
surface passivation and interface control in iii-v semiconductor nanoelectronics. Appl.
Surface Science, volume 24, p. 8005.
Headley, C. et al. (2011). Improved performance of gaas-based therahertz emitters via
surface passivation and silicon nitride encapsulation. IEEE Journal of Selected Topics
in Quantum Electronics, volume 17, p. 17.
Hirsch, G., Krueger, P. et Pollmann, J. (1998). Surface passivation of gaas(001) by sulfur :
Ab initio studies. Surface Science, volume 402, p. 778781.
Hu, C. C. (2010). Modern Semiconductor Devices for Intergrated Circuits . Pearson, University of California, Berkeley, 351 p.
Jaouad, A. et Aimez, V. (2006). Passivation of air-exposed algaas using low frequency
plasma-enhanced chemical vapor deposition of silicon nitride. APPLIED PHYSICS
LETTERS, volume 89, p. 092125.
59
60
LISTE DES RÉFÉRENCES
Jaouad, A., Aimez, V. et Aktik, C. (2004). Gaas passivation by low-frequency plasma
enhanced chemical vapour deposition of silicon nitride. ELECTRONICS LETTERS ,
volume 40, p. 10241026.
Jaouad, A. et Aktik, C. (2002). Passivation of gaas metal insulator semiconductor structures by (nh4 )2 sx and by evaporation of (sio2 ). J. Vac. Sci. Technol. A , volume 20,
p. 1154.
Marshall, G. M. et al. (2011). Electro-optic investigation of the surface trapping eciency
in n-alkanethiol sam passivated gaas(001). Nanotechnology, volume 22, p. 5704.
Évaluation de l'utilisation de la photoluminescence pour caractériser
la passivation de surface du GaAs (Rapport de stage pour le centre de recherche en
Maxime, C. (2007).
nanofabrication et nanocaracterisation). Université de Sherbrooke, 44 p.
Orouji, A. A. et al. (2011). A novel gaas mesfet with multi-recessed drift region and partly
p-type doped space layer. Electronic Devices, Systems and Applications (ICEDSA), 2011
International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications , p. 6366.
Proietti, M. G. et al. (1993). Structural properties of gaas oxide layers grown on polished
(100) surfaces. J. Phys Condens. Matter , volume 5, p. 12291238.
Reif, F. (1965). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics . McGraw-Hill, University
of California, Berkeley, 672 p.
Rosker, M. J. et Wallace, H. B. (2007). Imaging through the atmosphere at terahertz
frequencies. IEEE MTT-S International Symposium , p. 773.
Salem, B. et al. (2006). Improved characteristics of a terahertz set-up built with an emitter
and a detector made on proton-bombarded gaas photoconductive materials. Semicond.
Sci. Technol., volume 21, p. 283.
Savard, S. et al (2010). Photoexcited carrier relaxation dynamics and terahertz response of
photoconductive antennas made on proton bombarded gaas materials. J. Appl. Phys.,
volume 124507.
Guides d'onde submicrométriques en GaAs/AlGaAs à fort rapport
d'aspect et faible pertes de propagation pour la conversion de longueur d'onde. (Thèse
Volatier, M. (2010).
de doctorat). Université de Sherbrooke, 230 p.