Qu'est-ce que MOCVD (épitaxie en phase vapeur aux organométalliques) ?
Méthode de croissance cristalline utilisant des composés organométalliques et des gaz comme l'ammoniac. Très utilisée pour les semi-conducteurs composés comme GaN et GaAs.
Nom japonais: MOCVD(有機金属気相成長)
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Domaine: Croissance épitaxiale
Comment la MOCVD fait croître les cristaux
Le dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD), aussi appelé MOVPE (épitaxie en phase vapeur aux organométalliques), achemine des précurseurs organométalliques du groupe III comme le triméthylgallium (TMGa), le triméthylaluminium et le triméthylindium vers un substrat chauffé, avec des sources hydrures du groupe V comme l'ammoniac, l'arsine ou la phosphine. Les molécules se décomposent sur la surface chaude et les atomes s'organisent de façon épitaxiale, en suivant la structure cristalline du substrat. Les organométalliques sont conservés dans des bulleurs thermorégulés traversés par de l'hydrogène ou de l'azote ; la température du bulleur et le débit de gaz vecteur fixent donc le débit d'apport. Commuter les gaz modifie la composition à l'échelle du nanomètre, ce qui permet de réaliser des puits quantiques et des hétérostructures.
Paramètres de croissance clés
La température du substrat, la pression du réacteur, la vitesse de croissance et le rapport V/III, rapport molaire entre précurseurs du groupe V et du groupe III, définissent le procédé. La croissance du GaN utilise des rapports V/III de plusieurs centaines à plusieurs milliers, car l'ammoniac se décompose mal et l'azote tend à désorber de la surface à haute température. Ce rapport influe sur la planéité de surface, l'équilibre entre croissance latérale et verticale, l'incorporation de carbone issu des groupes méthyle et les niveaux de défauts ponctuels. Les réacteurs de production traitent des dizaines de plaquettes par cycle, ce qui, avec l'uniformité et la maîtrise de la composition, fait de la MOCVD l'outil de référence pour les composants à semi-conducteurs composés.
MOCVD face à MBE, LPE et HVPE
L'épitaxie par jets moléculaires (MBE) évapore les sources sous ultravide, vers 10⁻⁸ Pa, avec des obturateurs et une diffraction d'électrons de haute énergie en réflexion (RHEED) in situ pour un contrôle à la couche atomique près, mais à environ 1 µm par heure elle convient à la recherche, aux HEMT haute performance et aux dispositifs quantiques. L'épitaxie en phase liquide (LPE) croît près de l'équilibre à partir d'une solution métallique, donnant d'excellents cristaux mais un mauvais contrôle des couches minces. L'épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE) fait croître le GaN des dizaines de fois plus vite, pour les couches épaisses et les substrats autoportants. La MOCVD se situe entre les deux : des couches minces et abruptes avec une cadence élevée, même si les organométalliques pyrophoriques et les hydrures toxiques exigent une manipulation soigneuse.
Questions fréquentes
Différence entre MOCVD et MBE
La MOCVD fait croître les cristaux à partir de précurseurs chimiques circulant au-dessus d'un substrat chauffé et offre une cadence élevée pour la production. La MBE utilise des jets atomiques ou moléculaires sous ultravide, ce qui donne un contrôle à la couche atomique près et un suivi in situ, mais une croissance plus lente.
Pourquoi le rapport V/III est-il si élevé en MOCVD du GaN ?
L'ammoniac se décompose mal et l'azote quitte facilement la surface du GaN à la température de croissance ; un large excès d'ammoniac est donc nécessaire pour garder la surface riche en azote et stœchiométrique.
Pourquoi les précurseurs MOCVD comme le triméthylgallium sont-ils dangereux ?
Le triméthylgallium et les organométalliques similaires s'enflamment spontanément à l'air et réagissent violemment avec l'eau. Les hydrures gazeux utilisés avec eux, comme l'arsine et la phosphine, sont également très toxiques.