Combinaison, surchaussures, gants, charlotte… Les conditions sont drastiques pour pénétrer dans les 2 200 m2 de salles blanches du III-V Lab. Situé au sud de Paris, sur le plateau de Saclay, ce laboratoire, sous la tutelle de Thales, Nokia et du CEA, est une référence mondiale dans les semi-conducteurs dédiés à la photonique. Son savoir-faire ? La conception d’alliages à partir des éléments des colonnes III et V du tableau périodique. « Si le silicium est le semi-conducteur roi de l’électronique, ses propriétés optiques ne permettent pas d’émettre efficacement de la lumière, souligne Jean-Pierre Hamaide, le président du laboratoire. Pour la photonique, nous concevons couche atomique par couche atomique des alliages d’éléments III-V dont nous maîtrisons les propriétés.» Un véritable travail d’orfèvre qui ne pourrait être réalisé sans des équipements de pointe : les réacteurs d’épitaxie.
L’une de ces machines occupe tout l’espace d’une pièce du laboratoire : une large cloche aux parois épaisses et percées de petits hublots qui lui donnent l’aspect d’un bathyscaphe échoué. À l’intérieur, trois substrats cristallins maintenus à 450 °C sont en rotation. Ils attendent de recevoir les fines couches d’aluminium, d’indium, de gallium (les éléments III), et d’arsenic ou de phosphore (les éléments V). « Il s’agit d’une machine d’épitaxie par jet moléculaire (EJM), indique Jean Decobert, spécialiste de l’épitaxie au III-V Lab. C’est une technique de croissance des semi-conducteurs précise qui nous permet de mettre en œuvre des matériaux capables d’émettre aux longueurs d’onde de 1,3 et 1,55micron, utilisées dans les télécommunications.»
Des conditions extrêmes
Fourni par le français Riber, leader mondial de cette technologie, l’équipement combine trois conditions extrêmes – l’ultravide, les très hautes températures et la cryogénie – pour faire « pousser » le matériau à la vitesse d’un micron par heure. « À l’intérieur du réacteur, se trouve un vide d’environ 10-9 torrs [unité correspondant à la pression d’un millimètre de mercure, ndlr]. C’est à peu près le vide que l’on peut trouver à la surface de la Lune », souligne Jean Decobert. Sur la partie basse de la machine, douze protubérances cylindriques sont visibles, orientées en direction du centre de la cloche. Ce sont des creusets où règne une température comprise entre 800 et 1 200 °C. Les éléments III et V y sont maintenus à l’état liquide. Des clapets situés en haut du cylindre masquent la cloche ou « chambre de croissance ». En les ouvrant, les éléments évaporés produisent un jet de molécules en direction des substrats. Les éléments V, issus du « craquage » d’hydrures, sont également propulsés vers les substrats.
Lors de l’épitaxie en phase vapeur, un gaz vecteur est utilisé pour déposer les éléments sur le substrat. (Pascal Guittet)
« En ouvrant et en fermant les clapets en une fraction de seconde, nous pouvons stopper la croissance d’une monocouche, explique Jean Decobert. C’est un véritable ballet entre les creusets qui s’organise pour déposer les molécules nécessaires. » Les atomes épousent le réseau cristallin du substrat (de l’indium-phosphore ou du gallium-arsenic), permettant d’obtenir des alliages de très bonne qualité.
Pour garantir la précision de la croissance, les parois intérieures de la machine sont maintenues à une température de - 196 °C grâce à de l’azote liquide. « Cela évite que les molécules qui peuvent venir se coller aux parois soient relarguées dans le réacteur. L’EJM permet d’obtenir des matériaux d’une grande pureté », affirme Jean Decobert. Deux machines EJM sont actuellement opérationnelles au laboratoire : l’une classique, l’autre utilisant une source gaz pour les éléments V.
Investissement dans une nouvelle machine EJM
Cette technologie n’est pas la seule à être utilisée au III-V Lab. Une autre salle blanche accueille un réacteur d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) construit par l’allemand Aixtron. Moins impressionnante que l’équipement d’EJM, la machine est toutefois plus accessible et une boîte à gants permet aux chercheurs d’effectuer certaines manipulations. Jean Decobert ouvre un panneau pour nous dévoiler le cœur de l’appareil : un ensemble de tuyaux et de vannes dans lesquels circulent des mélanges de gaz.
Ceux-ci contiennent des molécules organométalliques et des hydrures qui sont envoyés à la surface du substrat chauffé à 700 °C. Cette technologie est complémentaire car elle offre également une grande diversité de structures épitaxiales et surtout de croissance planarisante sur des surfaces ayant un relief prononcé ou accidenté. « Ce sont deux approches différentes, mais toutes deux nécessaires », résume Jean Decobert.
Compte tenu de l’importance de ces équipements, la mise à jour du parc machine du III-V Lab est essentielle. À la fin de l’année, le laboratoire, qui a bénéficié du plan France Relance, se dotera d’une nouvelle machine EJM avec une plus grande capacité de production.
Jean Decobert, Ingénieur responsable de l’épitaxie au III-V Lab
« Des logiques de codéveloppement se mettent souvent en place entre scientifiques et fabricants »
Lorsque vous faites l’acquisition d’un nouvel équipement, demandez-vous des modifications aux constructeurs ?
Très souvent. Nous partons du catalogue du constructeur, mais nous avons un cahier des charges. Nous demandons toujours des fonctionnalités, des ajouts, qui correspondent à nos besoins. Des logiques de codéveloppement se mettent souvent en place entre scientifiques et fabricants pour des applications très spécifiques. Cela permet d’accélérer la recherche.
Pouvez-vous nous donner un exemple ?
Pour caractériser l’état cristallin de nos matériaux, nous utilisons une technique reposant sur la diffraction de rayons X. Nous avions besoin d’un système pour effectuer ces analyses sur de très petites dimensions, inférieures à 50 microns, en plus des mesures standard. À partir de notre cahier des charges, la société allemande Bruker a adapté une toute petite source de rayons X pouvant être positionnée au micron près grâce à un système de caméra et de pointeur laser. Cela nous permet de faire ces analyses en routine. Auparavant, nous devions nous rendre dans des synchrotrons pour avoir ce niveau d’information.
Comment qualifieriez-vous vos relations avec les fabricants ?
C’est un dialogue permanent car, en tant que chercheurs, notre objectif est toujours d’aller de l’avant. Si ça marche, il faut passer à autre chose [rires]. C’est bien sûr plus complexe que cela, mais notre but est bien de repousser les limites… et les fabricants d’équipements sont souvent prêts à nous suivre.
Propos recueillis par Alexandre Couto
