Plaquettes de silicium avec orientation (211)

Les substrats en silicium offrent des avantages tels qu'un faible coût, une résistance mécanique élevée et une dilatation thermique adaptée aux circuits de lecture en silicium dans des domaines tels que les réseaux à plan focal infrarouge et les cellules solaires à haut rendement. Cependant, les plans cristallins à faible indice couramment utilisés, tels que Si (001) et Si (111), sont confrontés à deux difficultés intrinsèques lors de la croissance de semi-conducteurs polaires (par exemple CdTe, GaP): la charge nette d'interface et la sélectivité du site atomique. Si la surface du substrat ne fournit qu'un seul type de configuration de liaison pendante, la couche épitaxiale présente inévitablement des domaines antiphase, dégradant gravement les performances du dispositif.

La surface Si(211) résout naturellement ce défi. Ce plan cristallin peut être considéré comme des terrasses étroites (111) disposées périodiquement le long de la direction [1-1-1]. Chaque cellule unitaire de surface (9,41 Å × 3,84 Å) contient simultanément des atomes de Si dans deux environnements de coordination distincts : les atomes de terrasse (T) sont tricoordonnés avec une liaison pendante, et les atomes de bord (E) sont bicoordonnés avec deux liaisons pendantes. Ce système de liaisons pendantes bimode permet au Si(211) de distinguer naturellement les différents éléments des composés III-V ou II-VI : les cations (Ga, Cd) se lient préférentiellement aux atomes de terrasse à liaison unique, tandis que les anions (P, Te) préfèrent les atomes de bord à double liaison pendante, obtenant ainsi la neutralité de la charge d'interface. Expérimentalement, des couches de CdTe de grande surface et de haute qualité ont été cultivées avec succès sur des substrats de Si (211) et utilisées dans la fabrication de détecteurs infrarouges HgCdTe. PAM-XIAMEN peut produire des tranches de silicium orientées (211) avec les spécifications suivantes :

1. Spécifications des plaquettes de silicium orientées (211)

Article	Type/Dopant	Orient.	Dia.	Épais (μm)	Surf.	Rés Ωcm	Commentaire
PAM3037	Si de type n : Sb	[211] ±0,5°	4″	1 500 ±15	P/P	0.01-0.02	Test SEMI, 1Flat, Empak cst, les plaquettes peuvent être polies moyennant des frais supplémentaires
PAM3038	Si de type n : Sb	[211] ±0,5°	4″	1600	C/C	0.01-0.02	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3039	Si de type n : P	[211-5°] ±0,5°	3″	508	P/P	FZ >50	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3040	Si de type n : P	[211-5°] ±0,5°	3″	508	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3041	Si de type n : P	[211-5°] ±0,5°	3″	508	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3042	Si de type n : P	[211] ±0,5°	3″	1016	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3043	Si de type n : P	[211-5°] ±0,5°	3″	508	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3044	Si de type n : P	[211-5°] ±0,5°	3″	508	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3045	Si de type n : P	[211-5°] ±0,5°	3″	508	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3046	Si de type n : P	[211] ±0,5°	3″	508	P/P	FD 25-75	Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3047	Si de type n : P	[211] ±0,5°	3″	1016	P/P	FD 25-75	SEMI TEST, 1Plat, Empak cst
PAM3048	Si de type n : P	[211] ±0,5°	3″	1016	P/P	FD 25-75	SEMI Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3049	Si de type p : B	[211] ±0,5°	3″	525	P/P	> 10	SEMI Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3050	Si de type p : B	[211] ±0,5°	3″	525	P/E	> 10	SEMI Prime, 1Flat, en cassettes Empak de 7, 8 et 8 plaquettes
PAM3051	Si de type n : As	[211] ±0,5°	3″	550	E/E	0.0030-0.0042	SEMI Prime, 2Flats, Empak cst
PAM3052	Si de type n : P	[211]	3″	450	P/P	50-65

Avant l'épitaxie, les substrats nécessitent un nettoyage à haute température, ce qui peut induire une reconstruction ou un facettage affectant la nucléation. De plus, As et Te sont souvent utilisés comme tensioactifs pour améliorer le mode de croissance. Par conséquent, une compréhension approfondie de la structure de surface propre du Si (211) et du comportement d’adsorption de As et Te est cruciale pour définir la fenêtre de processus.

2. reconstruction et stabilité de la surface propre Si (211)

Reconstruction de dimères 2,1 (2 × 1)

La surface idéale en Si (211) à terminaison massive est constituée d'atomes de terrasse (T), d'atomes de bord (E) et d'atomes de canal de deuxième couche (Tr). Bien que ce modèle ait servi de point de départ aux premières analyses théoriques, les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (pseudopotentiel d'onde plane, approximation GGA, énergie de coupure de 250 eV) indiquent que la surface idéale n'est pas la configuration la plus basse énergie – les deux liaisons pendantes portées par les atomes de bord conduisent à une reconstruction substantielle de la surface.

Fig. 1 Vue de dessus de la surface idéale de Si (211) à terminaison massive (étiquetée T, E, Tr et sites d'adsorption)

La reconstruction la plus stable est la dimérisation des atomes de bord le long de la direction [01-1], formant une structure (2 × 1). La longueur optimisée de la liaison dimère Si-Si est de 2,45 Å et les atomes de bord sont surélevés d'environ 0,6 Å par rapport aux atomes de la terrasse. Chaque dimère génère un gain d'énergie de 2,1eV. Expérimentalement, la diffraction électronique à basse énergie confirme systématiquement une périodicité 2 × dans la direction [01-1], et la microscopie à effet tunnel a observé des paires de bandes brillantes résultant de dimères d'atomes de bord. Les paramètres géométriques clés de cette reconstruction sont les suivants : espacement T(4)-E(4) 2,26Å, dimère E(3)-E(4) 2,45Å, E(4)-L3(4) 2,37Å, angle de liaison L2(3)-T(4)-E(4) = 88,67° et T(4)-E(4)-L3(4) = 105,04°.

Fig. 2 Vue de dessus de la surface reconstruite (2×1) (dimères et sites B, H, D, V)

2.2 Reconstruction reliée (1 × 1) et instabilité de la chaîne π-liée

Si les atomes de bord sont supprimés, les atomes de la terrasse de la couche supérieure peuvent se lier aux atomes de la troisième couche pour former une surface recollée (1 × 1). Son énergie de surface est 0,013eV/Å² supérieure à celle de la structure (2×1), une différence se situant à la limite de la précision de calcul ; les deux reconstructions peuvent donc coexister dans des conditions de préparation différentes. Les longueurs de liaison caractéristiques pour cette reconstruction incluent : T(4)-L3(4) = 2,46Å, L3(4)-L3(4) = 2,52Å et l'angle de liaison T(4)-L3(4)-L3(4) = 137,56°.

Fig. 3 Vue de dessus de la structure recollée (1×1) sur la surface Si(211)

Les tentatives visant à construire une reconstruction de chaîne liée π analogue à celle sur Si (111) ont toutes échoué ; lors de la relaxation, la surface revient toujours à la structure (2 × 1), indiquant que cette reconstruction est instable sur Si (211).

Fig. 4 Modèle instable de reconstruction de chaîne liée π sur la surface Si (211)

2.3 Facettage induit par la température

Après recuit à haute température (>1200°C), la surface Si(211) forme les facettes (111)-5×5 et (111)-7×7. La diffraction électronique à basse énergie montre des points supplémentaires le long de la direction [1-1-1], et l'analyse du profil des lignes par microscopie à effet tunnel révèle qu'à 1 260 °C, la taille des facettes atteint environ 75 Å, tandis que la périodicité le long de [1-1-1] diminue d'environ 19 Å à des températures plus basses à environ 10,5 Å. Cela suggère qu'un recuit à température trop élevée devrait être évité dans les processus d'épitaxie afin d'éviter une croissance excessive des facettes (111), ce qui détruirait l'avantage du double site du Si (211).

3. Adsorption de As et Te sur Si (211)

La surface du Si(211) présente de multiples sites d'adsorption (sommet, pont B, creux H, vallée V, etc.). Sur la surface idéale, le site le plus stable pour As est B (énergie de liaison 5,37eV), tandis que Te préfère le site H (~4,7eV). Les deux éléments ont plusieurs sites énergétiquement proches (différences <0,3eV), expliquant l'adsorption multi-sites de Te observée expérimentalement.

Sur la surface reconstruite (2 × 1) couramment utilisée en épitaxie pratique, le site optimal pour As devient V (énergie de liaison 4,84 eV), car après la dimérisation des atomes de bord, les atomes de bord ne peuvent plus former de doubles liaisons fortes avec As ; le site optimal pour Te est B (4,09eV), avec le site V légèrement inférieur (4,02eV).

Avec une couverture de 0,5 ML (quatre atomes occupant des sites B), As subit une dimérisation (distance As-As 2,55 Å, l'énergie de liaison augmente à 5,28 eV), alors que Te ne se dimérise pas (l'énergie de liaison reste ~ 4,09 eV). Cela est dû à la configuration électronique de valence 5s²5p⁴ de Te, qui empêche la formation de liaison Te-Te après la liaison avec deux atomes de Si. Par conséquent, As convient comme tensioactif pour favoriser la croissance couche par couche (formant une couche de dimère flottante), tandis que Te convient pour passiver les liaisons pendantes sans introduire de reconstruction supplémentaire.

Les calculs de structure de bande indiquent que les deux surfaces présentent un caractère métallique à une couverture de 0,5 ml, ce qui suggère qu'une couche composée devrait être formée rapidement dans les premières étapes de l'épitaxie pour protéger les états de surface du substrat.

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Les références:

Sen, P., Batra, IP, Sivananthan, S., Grein, CH, Dhar, N. et Ciraci, S. (2003). Structure électronique du Si recouvert de Te et d'As (211). Examen physique B, 68(4), 045314.
Fulk, C., Sivananthan, S., Zavitz, D., Singh, R., Trenary, M., Chen, YP,… et Dhar, N. (2006). La structure de la surface du Si (211). Journal des matériaux électroniques, 35(6), 1449-1454.