Briser le GaN

Dr. Jana Hartmann et Juliane Breitfelder (de gauche à droite) dans la salle blanche récemment équipée de l'Institut de la technologie des semi-conducteurs. (Crédit photo : Max Fuhrmann/TU Braunschweig) / Dr Jana Hartmann et Juliane Breitfelder (de gauche à droite) dans la salle blanche récemment équipée de l'Institut de la technologie des semi-conducteurs. (Crédit photo : Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Pendant qu'un appareil est en train de graver, cette unité PECVD dépose de nouvelles couches de semi-conducteurs sur les wafers de l'institut. (Crédit photo : Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

La voie vers de nouvelles technologies LED se fait couche par couche et est littéralement mordante. Pour que des LEDs bleues en nitrure de gallium (GaN) puissent être produites à l’Institut de la technologie des semi-conducteurs, il faut donc un équipement de salle blanche hautement spécialisé. Avec deux nouveaux appareils, d’autres voies s’ouvrent désormais pour la technologie des semi-conducteurs, dont bénéficient notamment des consortiums tels que le cluster d’excellence QuantumFrontiers et la Quantum Valley Lower Saxony (QVLS). Derrière cela se cache plusieurs années de travail. Après tout, chacun de ces appareils a ses particularités, que seul un microscope électronique peut découvrir.

Le simple fait d’installer les deux nouveaux grands appareils – Oxford Plasma Pro 100 et Plasma Pro 80 – est coûteux. Nouvelles connexions de gaz, régulateurs de pression, technologie de sécurité et bien plus encore. Avec le prix des appareils, cela revient à près d’un million d’euros, financé par le cluster QuantumFrontiers, la DFG et l’Institut de la technologie des semi-conducteurs de l’UT Braunschweig. Mais à quoi servent réellement ces appareils ? La meilleure personne pour poser la question est le Dr Jana Hartmann. En tant que responsable d’un groupe de jeunes chercheurs, elle coordonne le travail sur les nouvelles stars du salle blanche de l’institut.

Dr Jana Hartmann : « Le Plasma Pro 80 est une « déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma », en abrégé PECVD. Avec elle, nous déposons de fines couches semi-conductrices sur des wafers, la plaque de fabrication pour les puces. Le Plasma Pro 100, utilisé pour la « gravure par plasma inductivement couplé » ou RIE-ICP, est responsable du contraire sur le wafer : il érode le matériau de manière ciblée avec des gaz chlorés. Ceux qui travaillent avec des puces ont absolument besoin des deux. En conséquence, tous les projets de l’institut profitent en quelque sorte des nouveaux appareils. »

Développement de puces en un seul endroit

Le gravage a également été effectué auparavant à l’institut avec un ICP. Mais avec des gaz fluorés. Ceux-ci n’attaquent cependant pas chimiquement des matériaux comme le nitrure de gallium ou le nitrure d’aluminium. Or, ces composés semi-conducteurs constituent la base des LED dans le cadre des activités de recherche. « Jusqu’à présent, nous avions en quelque sorte mal estimé comment travailler avec ces nitrures. Au lieu d’utiliser les composants chimiques appropriés, nous avons plutôt utilisé la force brute pour enlever le matériau. Les résultats ressemblaient donc à cela – pleins de défauts et de surfaces irrégulières », explique le Dr Hartmann. « Avec la nouvelle machine de gravure à sec, nous obtenons des surfaces et des côtés parfaitement lisses dans les wafers, et nous pouvons également structurer beaucoup plus profondément. Même le nitrure d’aluminium, beaucoup plus dur, dont nous avons besoin pour les LED UV, est désormais modelable. Autrefois, c’était la limite du nitrure de gallium. »

Ce qui est totalement nouveau à l’institut, c’est le PECVD qui dépose des couches d’oxyde de silicium ou de nitrure de silicium sur les wafers. Jusqu’à présent, les chercheurs de l’institut devaient sortir leurs wafers du salle blanche et les envoyer à quelqu’un disposant d’un tel équipement de dépôt. En dehors de l’effort, cela entraînait inévitablement la collecte de poussière et de contaminants sur les wafers. Désormais, tout peut rester dans la salle blanche.

Grands appareils pour de grands progrès

Ce que cela signifie concrètement pour un projet est illustré par le travail actuel de Julian Kaßmann. En tant que doctorant, il fabrique de minuscules lasers à rétroaction distribuée. Ces lasers devraient à l’avenir lire des ions dans les ordinateurs quantiques en cours de développement dans la Quantum Valley Lower Saxony. Pour cela, entre autres, des couches fines d’oxyde de silicium sont déposées sur les wafers. Mais surtout, il faut graver des structures fines et planes très profondément dans les wafers. Toute irrégularité réduirait la puissance lumineuse du laser. Un objectif qui n’est réalisable qu’avec les nouveaux appareils.

Les activités du cluster d’excellence QuantumFrontiers en profitent également. Par exemple, les chercheurs organisent des micro- et nano-LEDs en grilles pour développer un éclairage rapide et structuré pour diverses applications. Surtout lorsque, dans le cadre du projet SMILE, les éléments en nitrure de gallium doivent être intégrés à une puce CMOS, des contacts très rapprochés sont nécessaires. La nouvelle machine de gravure à sec permet précisément cela.

Vers le meilleur salle blanche pour semi-conducteurs

Pour les grands appareils comme l’ICP et le PECVD, il n’existe pas de manuel d’utilisation universel. Bien que ces installations fassent fondamentalement ce qu’elles doivent faire, les résultats dépendent en détail de nombreux facteurs (longueur des lignes, composition du gaz ou dépression). En conséquence, les chercheurs de l’institut utilisent actuellement chaque appareil étape par étape et optimisent les processus. « Comme cela se joue à l’échelle du nanomètre, il faut déjà un microscope électronique à balayage pour contrôler les résultats. Si nous voulons également contrôler quelque chose comme l’angle de flanc d’une gravure, nous devons couper les échantillons avec une FIB. Heureusement, nous avons autant d’équipements de haute technologie au LENA ! » », explique le Dr Hartmann.

À l’avenir, d’autres investissements sont également prévus. Dr Jana Hartmann : « Nous sommes en train d’acquérir un nouvel évaporateur à faisceau d’électrons et une machine de polissage chimico-mécanique (CMP). Le premier dépose des métaux sur les wafers, le second polie même les matériaux les plus durs comme le saphir. De plus, d’autres appareils sont en planification. Avec les équipements d’épitaxie et de traitement déjà en place, l’ICP et le PECVD nous ouvrent de nombreuses nouvelles voies pour fabriquer des composants optiques. Les ajouts prévus amélioreront encore la qualité de nos composants, ce qui fera toute la différence notamment pour les lasers dans les ordinateurs quantiques. »