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Semi-conducteurs : le LAAS et Riber créent un laboratoire commun pour repousser les limites de l’épitaxie par jet moléculaire

Alexandre Couto
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Semi-conducteurs : le LAAS et Riber créent un laboratoire commun pour repousser les limites de l’épitaxie par jet moléculaire

La création d'EPICENTRE prolonge une relation historique entre le LAAS et Riber. Le spécialiste de l'EJM équipe déjà le laboratoire toulousain avec des machines dédiées à la recherche.

© Alexandre Arnoult

Le laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS-CNRS) de Toulouse et la société Riber ont annoncé le 29 juin la création d’un laboratoire commun. Baptisé EPICENTRE, il planchera sur de nouvelles briques technologiques pour optimiser et automatiser l’épitaxie par jet moléculaire.

Peut-on encore repousser les limites de l’épitaxie par jet moléculaire (EJM) ? C’est en tout cas l’objectif d’EPICENTRE, un nouveau laboratoire créé conjointement par la PME Riber, spécialiste mondial de cette technologie, et le laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS- CNRS) de Toulouse. Ce partenariat a été officialisé le 29 juin. Il visera à mettre au point de nouvelles solutions pour optimiser et automatiser ce procédé au cœur de la mise au point d’alliages innovants de semi-conducteurs.

Développement d’un procédé d’EJM Cryogénique

Réputé pour sa précision, l’EJM permet de déposer des couches de quelques nanomètres d’éléments semi-conducteurs sur un substrat cristallin en sublimant les matériaux dans un environnement sous ultra-vide (autour de 10-9 torrs). Le procédé est capable de stopper très rapidement la croissance d’une couche de semi-conducteur pour la remplacer par une autre, avec une précision de quelques plans atomiques

Le premier axe de recherche qui sera mené par EPICENTRE, concernera le développement d’un nouveau procédé qui permettra de déposer des éléments sur un substrat maintenu à une température cryogénique. Dans le processus EJM classique, le substrat cristallin, placé en rotation dans la chambre à ultra-vide, est maintenu à une température d’environ 700°C.

Cette configuration à 700°C n’est pas adaptée à tous les matériaux. « Certains possèdent des longueurs de diffusion importantes et ont tendance à s’agglomérer en gouttelettes. Si la mobilité en surface du substrat est trop importante, il est très difficile d’obtenir une couche de matériau fine et uniforme lors de l’épitaxie. », explique Alexandre Arnould, chercheur au LAAS et directeur d’EPICENTRE. « En baissant la température du substrat nous parvenons à maîtriser cette mobilité de surface. »

Un cahier des charges en cours d’élaboration

Riber et le LAAS vont mettre au point dans les prochains mois, une machine spéciale qui permettra de maintenir le substrat à une température d’environ 150 Kelvin (-123,15°C). Il s’agira d’une première mondiale : si d’autres laboratoires ont travaillé sur l’épitaxie EJM à basse température, notamment en utilisant des porte-substrats refroidis, aucun n’est encore parvenu à atteindre ces températures cryogéniques.

Le cahier des charges de cette machine est en cours d’élaboration et devrait être arrêté début 2022. « Il y a encore de nombreuses discussions sur les spécificités de l’équipement. Par exemple : pouvons-nous conserver des porte-substrat rotatifs, habituellement nécessaires à une répartition uniforme des couches, tout en maintenant une température cryogénique. C’est une vrai gageure technologique », pointe Alexandre Arnould.

Des applications en spintroniques et en quantique

L’EJM cryogénique sera utilisée pour hybrider des matériaux supraconducteurs,  comme l’aluminium, avec des isolants topologiques de type arséniure de gallium (GaAs). Ces interfaces hybrides pourront être utilisées afin de fabriquer des composants dans les domaines de la spintronique et de l’informatique quantique. Pour travailler sur cette dernière, chercheur au LAAS et spécialiste des qubits basés sur le fermion de Majorana, a rejoint l’équipe d’EPICENTRE.

Le second axe technologique du laboratoire portera sur la mise au point d’outils de mesure in-situ, pour maitriser l’épitaxie en temps-réel. « À l’heure actuelle, nous appliquons des recettes préétablis lorsque nous lançons une EJM. Il faut attendre la fin du processus pour vérifier que le matériau est conforme », explique Alexandre Arnoult, « L’idée est de pouvoir contrôler la croissance en temps réel et l’ajuster automatiquement en cours de production. Ou, alors arrêter l’épitaxie le plus tôt possible pour éviter de consommer trop de matériau. »

Un contrôle de l’épitaxie en temps réel

Des systèmes optiques sont utilisés pour mesurer un certains nombres de paramètres au travers des hublots de la chambre à ultra-vide. Le LAAS travaille depuis quelques années sur ces outils d’optimisation du procédé EJM. En 2019, Riber a acquis le brevet d’un instrument de mesure du LAAS, EZ-Curve, qui permet de suivre en temps réel la courbure d’un substrat lors d’une épitaxie contrainte et d’en déduire l’épaisseur et la concentration de l’alliage.

Riber fournira au nouveau laboratoire un système classique d’EJM en mars 2022. Il sera équipé d’une gamme d’instrumentation entièrement intégrée dans le logiciel de contrôle process Crystal XE de Riber. Les paramètres in-situ de la croissance épitaxiale, ainsi que les caractérisations ex-situ associées, seront compilés dans une base de données.

La chambre cryogénique devrait quant à elle être livrée au cours du second semestre 2022. Une vingtaine de personnes issues du LAAS et de RIBER travailleront au laboratoire EPICENTRE.

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