MOCVD

Le dépôt chimique en phase vapeur d'organométalliques (MOCVD) est une méthode de dépôt de films cristallins minces sur un substrat par introduction de précurseurs organométalliques dans une chambre de réaction chauffée. Les précurseurs se décomposent ou réagissent en phase gazeuse, et leurs produits se condensent sur la surface chaude du substrat de manière contrôlée, couche par couche. C'est la technique dominante pour la fabrication de semi-conducteurs composés comme le nitrure de gallium (GaN), l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP), qui alimentent les LED, les diodes laser et les transistors haute fréquence.

Le processus fonctionne en faisant circuler des gaz porteurs (souvent de l'hydrogène ou de l'azote) qui transportent des précurseurs organométalliques vaporisés dans une chambre de réaction chauffée, généralement maintenue entre 500 et 1100 degrés Celsius selon les matériaux à faire croître. Les précurseurs courants comprennent le triméthylgallium (TMG) pour le gallium, le triméthylindium (TMI) pour l'indium, et l'arsine (AsH3) ou la phosphine (PH3) pour les éléments du groupe V. Les molécules de précurseur se décomposent près de la surface du substrat, et les atomes se recombinent pour former le composé cristallin désiré. Les dopants pour le dopage électrique (silicium pour le type n, magnésium pour le type p) sont introduits sous forme de précurseurs gazeux séparés à des concentrations contrôlées.

Types de réacteurs et variantes de processus

Les systèmes MOCVD varient considérablement en taille et en conception. Les réacteurs à pression atmosphérique fonctionnent à environ 1 atm et sont plus simples et moins coûteux ; les réacteurs à basse pression (10 à 100 torr) offrent une meilleure uniformité et un meilleur contrôle de l'épaisseur sur des tranches plus grandes. Les réacteurs à tube horizontal positionnent la tranche horizontalement avec le gaz circulant au-dessus ; les réacteurs verticaux (tels que les conceptions à barillet ou à pomme de douche à couplage étroit) dirigent le gaz vers le bas sur la tranche et sont préférés pour la production car ils gèrent des tailles de tranches plus grandes et plusieurs tranches par cycle. Les systèmes de production peuvent charger six à dix tranches de 2 pouces (50 mm) ou des tranches complètes de 6 pouces (150 mm) ou 8 pouces (200 mm) de diamètre.

La qualité des films dépend de manière critique de l'uniformité de la température, des débits de précurseurs, de la chimie en phase gazeuse et de la pureté des précurseurs. Des erreurs de température de seulement quelques degrés Celsius entraînent des variations significatives du taux de croissance et de l'incorporation des dopants sur la tranche. Le débit des précurseurs est régulé en faisant barboter le gaz porteur à travers des sources liquides chauffées ou en utilisant des évaporateurs à pression contrôlée pour les précurseurs solides. Des réactions indésirables peuvent se produire si les mélanges de précurseurs réagissent prématurément en phase gazeuse plutôt que seulement sur le substrat, un phénomène appelé nucléation en phase gazeuse qui produit de la poudre et dégrade la qualité du film. Les précurseurs organométalliques sont coûteux, dangereux (beaucoup sont pyrophoriques ou toxiques), et leur coût et la charge de leur manipulation en toute sécurité sont les principaux inconvénients du processus par rapport aux méthodes d'épitaxie plus simples.

Le MOCVD domine l'industrie des semi-conducteurs III-V car il permet un contrôle précis de la composition de l'alliage et des niveaux de dopants dans des couches monocristallines de seulement quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, et parce qu'il peut revêtir des structures tridimensionnelles complexes (telles que les parois latérales de caractéristiques gravées). Le terme organométallique fait référence aux ligands organiques (groupes méthyle, typiquement) liés aux atomes métalliques dans les molécules de précurseur ; la partie organique assure la volatilité afin que le précurseur puisse être délivré sous forme de vapeur. Le MOCVD est en concurrence avec l'épitaxie en phase liquide (LPE) pour les travaux plus anciens sur les semi-conducteurs composés et avec l'épitaxie par jet moléculaire (MBE) pour la recherche et les applications de niche nécessitant une pureté ultra-élevée ou un contrôle ultra-mince, mais le MOCVD reste la méthode de prédilection pour la fabrication de LED et de dispositifs optoélectroniques.