Épitaxie par jet moléculaire

Système d'épitaxie par jets moléculaires au laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes à Toulouse (France)

L'épitaxie par jets moléculaires (ou MBE pour Molecular Beam Epitaxy) est une technique consistant à envoyer un ou plusieurs jets moléculaires vers un substrat préalablement choisi pour réaliser une croissance épitaxiale. Elle permet de faire croître des échantillons nanostructurés de plusieurs cm² à une vitesse d'environ une monocouche atomique par seconde.

Conditions de Knudsen

Dans la majeure partie des cas, on désire réaliser la croissance de matériaux solides à température ambiante. On place ces matériaux dans des creusets situés au sein d'une cellule de Knudsen. Ces creusets sont réalisés en PNB (nitrure de bore pyrolitique, stable et peu réactif jusqu'à 2000K). La température d'évaporation est une variable essentielle à contrôler car elle va déterminer le flux moléculaire arrivant sur l'échantillon. La croissance des matériaux est relativement lente. En effet, il ne faut pas que des molécules évaporées réagissent avec d'autres avant d'avoir atteint le substrat. On s'arrangera pour que le libre parcours (λ) moyen soit supérieur à la distance séparant la cellule de Knudsen au substrat. En pratique on fait en sorte que λ soit supérieur à 1mètre. Si ces conditions sont observées on peut alors parler de jets moléculaires.

On peut montrer^[1] que où

• σ est la distance à partir de laquelle on considère que les molécules sont en collision (on suppose les molécules sphériques de rayon σ, typiquement de quelques Ångström)
• n est la densité d'atomes (atomes/m³)

Or la densité volumique d'atomes est directement proportionnelle à la pression (p) et à la température (T) selon p = nkT^[2] où k est la constante de Boltzmann.

Avantages et inconvénients d'une croissance lente

Il faut savoir que les cellules de Knudsen possèdent aussi des obturateurs permettant de contrôler la croissance. Les temps de fermeture de ces obturateurs est généralement inférieur à la seconde, et donc généralement inférieur au temps nécessaire à la création d'une monocouche. L'avantage de cette croissance lente est donc de pouvoir obtenir des nettes hétérojonctions dans le cadre de matériaux multicouches. Une croissance lente permet aussi de contrôler un dopage homogène du matériau. Un autre avantage important est la possibilité de mesures en temps réel effectuées pendant les croissances (voir point suivant). Cependant, une faible vitesse de croissance implique une atmosphère très pure sans quoi les impuretés viendraient contaminer l'échantillon de manière non négligeable. Pour cela il convient d'utiliser plusieurs systèmes de pompage afin de se trouver sous une pression résiduelle inférieure à 10^-8 Pa.

Mesures en temps réel

Les mesures en temps réel les plus rencontrées en MBE sont

• La mesure de pression résiduelle à l'aide d'une sonde de type Bayard-Alpert
• Une sonde similaire pouvant être placée au-dessus de la cellule d'évaporation (cette mesure doit bien évidemment se faire uniquement avant la croissance)
• On peut déterminer la composition des gaz résiduels grâce à la spectrométrie de masse par quadrupôle (QMS)
• Détermination de la température du substrat grâce à un pyromètre optique détectant les radiations infrarouges. Cela permet aussi de connaître l'épaisseur de la couche en croissance.
• Mais surtout on peut analyser l'évolution dimensionnelle et cristalline de la croissance grâce au RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction : diffraction d'électrons de haute énergie)

La surface : un équilibre dynamique

Il faut savoir que la croissance de la surface est un procédé dynamique et non pas statique. En effet, lorsqu'une molécule atteint la surface, elle n'y reste pas simplement collée. Typiquement les molécules vont diffuser grâce à leur énergie thermique. De là, il y aura de la nucléation : des atomes vont se rencontrer, s'assembler et leur mobilité va diminuer. D'autres molécules vont pouvoir s'adjoindre, on parle alors d'agrégation. Globalement ces agrégats se déplacent peu. Cependant, leur bords sont très mobiles, c'est ce qu'on désigne par la "diffusion de bord". A côté de cela, l'énergie thermique des molécules peut être telle qu'elles quittent l'échantillon : c'est ce qu'on nomme la désorption. Enfin, certains agrégats peuvent se séparer, il s'agit alors d'une dissociation.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• J.R. Arthur, Surface Science 500, 189 (2002)

Liens externes

• Mémoire de physique sur l'InGaN (3820 ko) avec le chapitre 2 consacré à la MBE et le point 3.1 consacré au RHEED

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