EP1966818A1 - Procede de realisation d'une jonction pn electroluminescente en materiau semi-conducteur par collage moleculaire - Google Patents

Procede de realisation d'une jonction pn electroluminescente en materiau semi-conducteur par collage moleculaire

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Publication number
EP1966818A1
EP1966818A1 EP06841620A EP06841620A EP1966818A1 EP 1966818 A1 EP1966818 A1 EP 1966818A1 EP 06841620 A EP06841620 A EP 06841620A EP 06841620 A EP06841620 A EP 06841620A EP 1966818 A1 EP1966818 A1 EP 1966818A1
Authority
EP
European Patent Office
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bonding
type
junction
semiconductor material
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06841620A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Noe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1966818A1 publication Critical patent/EP1966818A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/018—Bonding of wafers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/014—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group IV materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electroluminescent PN junction made of an indirect bandgap semiconductor material by molecular bonding.
  • Silicon is the semiconductor material most used in the microelectronics industry. From the point of view of manufacturing cost and technological maturity it would be the most advantageous substrate for producing optoelectronic circuits.
  • bulk silicon (known as bulk monocrystalline) is a light emitter inefficient because of its indirect bandgap.
  • the forbidden band or gap of a material corresponds to the difference in energy between its conduction band and its valence band.
  • the electrons in the conduction band and the holes in the valence band have an energy that depends on their wave vector.
  • the maximum of the valence band and the minimum of the conduction band are thus identified.
  • the band gap is said direct, and it is said indirect in the opposite case.
  • Direct bandgap semiconductors are, therefore, generally more suitable than others for optoelectronic applications. Indeed, electroluminescent devices emit at a wavelength that is determined by their bandgap width.
  • silicon and other indirect bandgap semiconductor materials such as germanium, can hardly be used as an integrated light source.
  • silicon light is emitted at a single wavelength of 1150 nanometers which is in the infrared part of the electromagnetic spectrum of light.
  • Solid silicon also has a photoluminescence efficiency or internal quantum efficiency of less than 0.01%.
  • references are at the end of the description. They are electroluminescent diodes produced by implantation of a P-type dopant such as boron in an N-type substrate. This implantation induces dislocations in the silicon crystal and an annealing at approximately 1000 ° C. makes it possible to form a network. of dislocation loops. These dislocation loops generate a localized stress field that locally modifies the electronic band structure of the crystal and thus allows spatial confinement of the electronic carriers.
  • the method for obtaining dislocation loops by ion implantation has limits on the one hand because of the minimum size of dislocation loops, their diameter is between about 80 and 100 nanometers and secondly because of their density, their spacing being at least 20 nanometers. These dimensions limit the integration of components made with materials having these dislocations.
  • the dislocation loops are obtained by plastic deformation of the crystal before doping, for example by compression.
  • the document [2] whose references are at the end of the description illustrates this embodiment.
  • These dislocations forming "quantum wells" in the crystal or behaving like traps for, for example, oxide precipitates as will be seen further, allow the emission of light at wavelengths greater than that corresponding to the bandgap width of bulk silicon and in particular at around 1150 to 1600 nanometers.
  • the method of manufacturing diodes having dislocations obtained by plastic deformation of the crystal is hardly compatible with the ultra-wide scale integration technology (known as ULSI for ultra-wide-scale integration) used in microelectronics.
  • ULSI ultra-wide scale integration
  • PN junction diodes have been produced by molecular bonding of two monocrystalline silicon wafers exhibiting a network of dislocations due to a resulting angle of inclination. between the vertical axes of the crystalline lattices of the two platelets. This angle is also known as bending angle or "tilt” angle or “miscut” angle. This bending angle is practically inevitable when the two plates are assembled together. Electroluminescence between 1400 and 1600 nanometers was observed in a cryostat at low temperatures of about 77 ° K. But the temperature is still far too low for everyday use. In addition, it is very difficult to control the dislocation step and therefore their density which does not optimize the efficiency of the PN junction and perform reproducible PN junctions.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a light-emitting PN junction made of semi-conductor material with an indirect forbidden band which does not have the above limitations and difficulties.
  • an object of the present invention is to improve the efficiency and the reproducibility of producing such an electroluminescent PN junction.
  • a further object of the invention is to propose a method for producing such a PN junction compatible with microelectronics technologies.
  • the invention more specifically relates to a method for producing an electroluminescent PN junction consisting of a molecular bonding of a doped crystalline semiconductor material face of a first type of a first element with a semiconductor material face. doped crystal of a second type opposite to the first type of a second element.
  • the semiconductor material of the elements has an indirect band gap. Gluing is carried out by rotating in rotation from a predetermined angle the crystal lattices presented by said faces, so as at least to cause the formation of a screw-like dislocation network at the bonding interface.
  • the formation of the screw-type dislocation network makes it possible to achieve the desired goals.
  • the method may comprise a subsequent thermal annealing step in a neutral or "passivating" atmosphere.
  • Neutral atmosphere means an inert atmosphere vis-à-vis the material to be bonded, such as vacuum, a nitrogen or argon atmosphere.
  • passivating atmosphere is meant an atmosphere of any gas that does not prevent molecular bonding and the formation of the network of dislocations, such as hydrogen, of formic gas consisting of hydrogen in nitrogen or ammonia NH 3 .
  • the process may comprise a subsequent treatment step at a temperature of less than or equal to 500 ° C. under vacuum, in the case of molecular bonding under vacuum, to reinforce the molecular bonding and eliminate any defects.
  • Thermal cleaning can be added to or substituted for a chemical cleaning step in the case of molecular bonding under vacuum.
  • This thermal cleaning can be for example a high-temperature annealing under hydrogen of the two faces before bonding.
  • At least one of the elements can be a block of solid semiconductor material.
  • At least one of the elements may be a film of a composite substrate formed of a stack in which the film is on the surface.
  • the composite substrate is advantageously a semiconductor-on-insulator substrate.
  • At least one of the elements may be doped in the mass or alternatively may be surface-doped.
  • the bonding is done by introducing a bending angle between the two faces so as to cause a network of wedge type dislocations at the bonding interface in addition to the screw type dislocation network.
  • the semiconductor material of the elements may be silicon but also germanium, silicon germanium.
  • the present invention also relates to a method for producing a light-emitting diode in which an electroluminescent PN junction is produced by the method of the preceding claims and in which an electrical contact is formed on each element on a face opposite to that to be glued.
  • At least one of the elements is a film of a composite substrate
  • the present invention also relates to an electroluminescent PN junction which comprises two doped semi-conductor crystalline elements of opposite type, these semiconductor elements having an indirect bandgap and being assembled to one another. by molecular bonding. It furthermore comprises at least one dislocation network of screw type at the gluing interface.
  • It may furthermore comprise a network of wedge type dislocations at the bonding interface, which makes it more efficient.
  • the present invention also relates to a light emitting diode having a junction
  • each element being provided with an electrical contact opposite the bonding interface.
  • FIGS. 1A-1D illustrate different steps of producing an example of a light-emitting PN junction and then an example of a light-emitting diode according to the invention
  • FIGS. 2A to 2C show another example of steps for producing an electroluminescent PN junction and a light emitting diode according to the invention
  • FIGS. 3A to 3D are graphs representing the intensity of the signal emitted by various diodes according to the invention or of the prior art as a function of the wavelength of the emitted signal.
  • the different variants shown in Figures 1 and 2 should be understood as not being exclusive of each other.
  • the two elements 10, 20 may be solid and thick crystals of semiconductor material as illustrated in FIG. 1 or be films as illustrated in FIGS. FIG. 2.
  • film is meant a layer whose thickness is less than about one micrometer.
  • the material of one of the faces 1 has a doping type, for example N and the material of the other face 2 has the opposite type, for example P.
  • the doping may be in the mass, it could be achieved during the drawing of the crystal or be on the surface, it could be obtained for example by dopant implantation.
  • the dopant may be, for example, boron in the P-doped element and phosphorus in the N-doped element. It is assumed that in the example of FIGS. 1, the doping is at the surface and that it is in the mass. in the example of FIGS. 2.
  • the doped zones are referenced 20.1 and 10.1 in FIG. The opposite would be possible or one of the elements 1, 2 could have a doping in the mass and the other a surface doping.
  • the doping level may be between 10 16 and about 10 20 ions / cm 3 knowing that the internal electric field of the PN junction depend on the doping level of each zone N or P as in a conventional PN diode.
  • a crystalline semiconductor material face 1 of the first element 10 will be contacted with a crystalline semiconductor material face 2 of the second element 20 so that the crystal lattices presented by said faces 1, 2 are offset in rotation by a predetermined angle.
  • This angle of rotation offset is known as the Anglo-Saxon angle of "twist”.
  • This angle of "twist” is shown in Figure IB by the arrows. On this figure are also visible the three crystalline axes of one of the elements 1, 2.
  • This contact is effected with molecular bonding. Such an operation must be done with surfaces sufficiently smooth and as free as possible from contamination.
  • any molecular bonding involves a cleaning step and then generally a deoxidation step of the faces to be bonded, these steps being prior to bonding using the molecular bonding.
  • the two elements 10, 20 must be kept close enough to allow initiating an intimate contact. Attractive forces between faces 1, 2 brought into contact appear and cause molecular bonding.
  • This molecular bonding can be carried out at ambient temperature and atmospheric pressure.
  • This cleaning can consist, especially when the bonding is carried out under atmospheric pressure, in a chemical cleaning by immersion in one or more chemical baths for example based on hydrochloric acid HCl, acid HNO3 nitric acid, H 2 SO 4 sulfuric acid, H 2 O 2 hydrogen peroxide, NH 3 ammonia, CARO mixture (H 2 SO 4 : H 2 O), aqua regia, RCA cleaning SCl (NH 4 OH: H 2 O 2 : H 2 O) or SC 2 (H 2 O 2 : HCl: H 2 O).
  • This treatment can be terminated by a deoxidation treatment usually carried out by hydrogenation of the pendant bonds on the surface using HF hydrofluoric acid as a liquid or vapor.
  • silicon / silicon bonding When silicon / silicon bonding is carried out without an oxide layer on the surface, it is referred to as hydrophobic bonding. In the case of an oxide / oxide bonding, it is called hydrophilic bonding. In the process of the invention, it will preferably be a hydrophobic bonding.
  • Molecular bonding can also be carried out under vacuum.
  • the thermal cleaning may be annealing at high temperature (typically greater than 1100 ° C.) in hydrogen of the faces to be assembled made before bonding.
  • the chemical cleaning may be similar to that mentioned above.
  • the molecular bonding under vacuum is carried out after prior deoxidation of the two faces 1, 2 to be bonded thermally under vacuum, or by any other method of deoxidation. This technique is known to those skilled in the art.
  • the reinforcement of the bonding energies and the network of dislocations ordered at the interface can be obtained by the implementation of a heat treatment for example at a temperature greater than about 500 ° C. under a neutral atmosphere, for example under vacuum or under atmosphere. nitrogen, argon or any other inert gas with respect to the material to be bonded.
  • this heat treatment can be carried out under a passivating atmosphere, for example under hydrogen, under hydrogen in nitrogen, under formic gas, under NH 3 ammonia, or any other gas that does not prevent sticking or formation of the dislocation network.
  • the duration of the heat treatment will depend on its temperature, it will be limited to a few hours so as not to let too much dopants spread.
  • This annealing is intended to strengthen the molecular bonding and the formation of the dislocation network at the bonding interface, to eliminate any defects at the interface or to allow the formation of possible precipitates for example oxide, at the bonding interface or at the PN junction.
  • This treatment aims to eliminate defects present at the bonding interface 3, such as bubbles.
  • Figure IC shows the structure obtained after gluing. Due to the "twist" angle, a screw type dislocation network 4 is induced at the level of the bonding interface 3 and therefore of the PN junction.
  • the latter has improved efficiency especially at room temperature and is capable of emitting at the wavelength corresponding to the bandgap width of the silicon but also at least one other wavelength, as will be seen later by observing the graphs of figures 3. In this for example, the other wavelength is greater than that corresponding to the forbidden band of silicon.
  • the article referenced [4] describes a method for introducing a desired "twist" angle, with a high accuracy, for example of the order of a hundredth of a degree, during assembly. Both elements are taken from the same block of semiconductor material crystalline lens, the latter being provided with marking marks that can take the form of graduated scales arcuate. The two elements sampled will bear these marking marks. By aligning the registration marks with the introduction of a relative offset, the desired "twist" angle can be achieved. Thus, a twist angle of 20 ° gives a screw dislocation step of about 1 nanometer.
  • the two elements do not come from the same crystalline block, it is also possible to adjust with great accuracy the angle of "twist” but it is necessary to determine at least one axis of the crystal lattice of each of the elements. This can be done using X-rays for example.
  • electroluminescence was observed only on samples showing only bending disorientation, ie a tilt angle. Indeed, during the assembly by molecular bonding, it is generally sought not to introduce a "twist" angle so that the crystal lattices coincide as much as possible knowing that the angle of "tilt” is virtually inevitable except in the case of twin surfaces obtained by the smart-cut process (registered trademark).
  • the dislocations located at the bonding interface and therefore at the junction may also allow the formation of "quantum wells", because of the emission at lower energy than the gap, constituted by the dislocations (emission towards 1.5-1.6 micrometer luminescence lines of dislocations, below the energy of the silicon gap) or by the oxide precipitates that can form at the level of the dislocations during the sealing annealing as taught in the document
  • the PN junction obtained can be used in particular in integrated circuits or in diodes.
  • These electrical contacts are referenced 11 and 21 in FIG ID.
  • These electrical contacts 11, 21 may be made by metal spraying and optionally thermal annealing. They can completely cover the face of the element 1, 2 which is opposite to that assembled or be delimited on this face.
  • These electrical contacts 11, 21 may be ohmic type or schottky type.
  • the electrical contacts 11, 21 may be made for example based on titanium, aluminum, nickel, gold, tungsten. Contacts will be of ohmic or schottky type depending on the type and the doping rate of the semiconductor as well as the nature of the metal used
  • a gold deposit on N-type silicon or an aluminum deposit on P-type silicon is generally ohmic after prior removal of the oxide on the surface of the silicon before the deposition of the metal.
  • an aluminum deposit on doped N type silicon with a doping level of less than 5.10 19 ions / cm 3 is of Schottky type.
  • PN junction instead of the two elements being solid and thick crystals, they may be two films 103, 203 each forming part of a composite substrate 100, 200. It is assumed that the two films 103, 203 are doped massively and more. only superficially.
  • Such a composite substrate 100, 200 may be formed of a stack of several layers including the film on the surface. The stack may comprise successively a support 101, 201 generally of semiconductor material, a layer of dielectric material 102, 202 and a film 103, 203 of crystalline semiconductor material.
  • It may be a semiconductor-on-insulator type substrate and more precisely a silicon on insulator type (known by the acronym SOI for silicon on insulator) or a germanium on insulator substrate (known as the acronym GOI or GeOI for germanium on insulator).
  • SOI silicon on insulator
  • GOI germanium on insulator substrate
  • GOI germanium on insulator substrate
  • GOI germanium on insulator
  • the bare areas 104, 204 can be obtained by etching chemical silicon for example using solutions of KOH OR TMAH. This chemical etching may be supplemented by plasma etching techniques for the silicon oxide dielectric layer or mixtures of hydrofluoric acid. This chemical etching is done from the supports 101, 201 of the composite substrates 100, 200 through the dielectric layer 102, 202.
  • the electrical contacts 11, 21 cover the exposed areas 104, 204. They can be made as previously described, for example by localized spraying.
  • FIG. 3A the measurements were made at 300 ° C. (room temperature) with PN silicon junctions according to the invention. PN junctions with twist angles of 2 °, 20 °, 45 ° were tested. The angle of "tilt" is not known and it can be zero but that is unlikely. A PN junction, obtained by molecular bonding, having a twist angle has also been tested. none but one with a given tilt angle and therefore part of the prior art.
  • the curve corresponding to the "twist" angle of 20 degrees has sharp peaks at the wavelength corresponding to the silicon bandwidth (1150 nm) but also around 1550 nm.
  • the efficiency of electroluminescence is undoubtedly improved compared to the prior art.
  • the sample of the prior art emits a signal only at the wavelength corresponding to the bandgap width of the silicon, ie around 1150 nm. In the absence of a dislocation network, that is to say in the case of the "twist" angle of 45 °, the emitted signal is substantially zero.
  • the measurements were made at 80 ° C. (low temperature) with silicon PN junctions according to the invention and conventional. They have "twist" angles of 2 °, 20 ° and a “twist” angle close to 0 ° or zero for the conventional junction. These angles respectively induce a periodic lattice dislocations screw at 10 nm pitch for the "twist" angle of 2 °, 1 nm for the "twist” angle of 20 ° and 100 nm for the "twist” angle zero.
  • the tilt angle induces a wedge-like dislocation array and a screw-like dislocation array of not less than a hundred nanometers, due to misalignment of the two elements. Indeed in practice, there is generally a slight angular misalignment because it is difficult to perfectly align the two crystal lattices with an accuracy less than 0.01 ° as mentioned in document [4].
  • the most intense peak is obtained in this case, in the band 1400 nm at 1600 nm and more particularly at around 1500 nm. This wavelength is different and greater than that corresponding to the band gap of the silicon. The other peak is around 1150 nanometers.
  • FIG. 3C makes it possible to compare the results obtained in FIGS. 3A and 3B for the junction according to the invention having the smallest pitch and therefore the highest density of dislocations.
  • the increase in light intensity obtained around 1500 nm at 80 0 K compared to that obtained at 300 0 K makes it possible to deduce that "quantum wells" are present in the PN junction tested at 80 0 K.
  • On the Figure 3D was compared at room temperature 300 0 K, the signal intensity of a PN junction of the invention compared to that delivered by a conventional PN junction.
  • the two junctions are silicon junctions.
  • the PN junction of the invention, obtained by gluing, has a "twist" angle of 20 ° and was injected with a power of 0.156 W.
  • the conventional PN junction also obtained by gluing, has a "twist" angle no. It was injected with a power of 2.2 W. The two elements of these junctions were treated with liquid hydrofluoric acid before assembly. The comparison is carried out at the wavelength corresponding to the bandgap width of the silicon. It can be deduced, given the powers injected, that the PN junction according to the invention is forty times more efficient than the conventional one.
  • one of the elements prefferably be a block of solid semiconductor material and for the other element to be a film.

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Abstract

Il s'agit d'un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente consistant en un collage moléculaire d'une face (1) en matériau semi-conducteur cristallin dopé d'un premier type d'un premier élément (10) avec une face (2) en matériau semi-conducteur cristallin dopé d'un second type opposé au premier type d'un second élément (2). Le matériau semi-conducteur présente une bande interdite indirecte. On décale en rotation d'un angle prédéterminé les réseaux cristallins présentés par les dites faces, de manière à au moins provoquer la formation d'un réseau de dislocations (4) de type vis à l'interface (3) de collage.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UNE JONCTION PN ELECTROLUMINESCENTE EN MATERIAU SEMI-CONDUCTEUR PAR
COLLAGE MOLECULAIRE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative à un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente en matériau semi-conducteur à bande interdite indirecte par collage moléculaire.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans l'industrie microélectronique. Du point de vue du coût de fabrication et de la maturité technologique ce serait le substrat le plus avantageux pour réaliser des circuits optoélectroniques. Malheureusement le silicium massif (connu sous la dénomination anglo-saxonne de bulk) monocristallin est un émetteur de lumière peu efficace à cause de sa bande interdite indirecte. On rappelle que la bande interdite ou gap d'un matériau correspond à la différence d'énergie entre sa bande de conduction et sa bande de valence. Les électrons dans la bande de conduction et les trous dans la bande de valence ont une énergie qui dépend de leur vecteur d'onde. On repère ainsi le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction. Lorsque le minimum de la bande de conduction possède le même vecteur d'onde que le maximum de la bande de valence, la bande interdite est dite directe, et elle est dite indirecte dans le cas contraire. Les semi-conducteurs à bande interdite directe sont donc, d'une manière générale, plus adaptés que les autres pour les applications optoélectroniques. En effet, les dispositifs électroluminescents émettent à une longueur d' onde qui est déterminée par leur largeur de bande interdite.
En conclusion, le silicium et les autres matériaux semi-conducteurs à bande interdite indirecte comme le germanium, peuvent difficilement être utilisés comme source de lumière intégrée. Pour le silicium, la lumière est émise à une seule longueur d'onde de 1150 nanomètres qui se trouve dans la partie infra rouge du spectre électromagnétique de la lumière. Le silicium massif a de plus une efficacité de photoluminescence ou rendement quantique interne inférieure à 0,01%.
Différentes approches ont été envisagées pour améliorer les propriétés de luminescence du silicium, et/ou pour le faire émettre dans la partie visible du spectre électromagnétique de la lumière, comme les nano-cristaux de silicium, les super-réseaux Si/SiC>2, le silicium poreux, le silicium dopé à l'erbium. Le silicium poreux a une structure de bande interdite légèrement différente de celle du silicium massif due au confinement quantique présent dans de telles structures.
Les dispositifs électroluminescents les plus efficaces, émettant à la longueur d'onde qui correspond à la largeur de bande interdite du silicium ont été observés sur des dispositifs à boucle de dislocations comme décrit dans le document [1] dont les références se trouvent en fin de description. Il s'agit de diodes électroluminescentes réalisées par implantation d'un dopant de type P tel du bore dans un substrat de type N. Cette implantation induit des dislocations dans le cristal de silicium et un recuit à environ 10000C permet de former un réseau de boucles de dislocations. Ces boucles de dislocations génèrent un champ de contraintes localisé qui modifie localement la structure de bande électronique du cristal et permet ainsi un confinement spatial des porteurs électroniques. C'est ce confinement spatial qui permet d'obtenir de l' électroluminescence à la longueur d'onde qui correspond à la largeur de la bande interdite du silicium, à température ambiante, avec un rendement quantique interne proche de 0,1%. Toutefois la méthode d'obtention des boucles de dislocations par implantation ionique présente des limites d'une part à cause de la taille minimale des boucles de dislocation, leur diamètre est compris entre environ 80 et 100 nanomètres et d'autre part à cause de leur densité, leur espacement étant d'au moins 20 nanomètres. Ces dimensions limitent l'intégration des composants fabriqués avec des matériaux ayant ces dislocations.
Dans d'autres techniques, les boucles de dislocations sont obtenues par déformation plastique du cristal avant le dopage, par exemple par compression. Le document [2] dont les références se trouvent en fin de description illustre ce mode de réalisation. Ces dislocations, en formant des « puits quantiques » dans le cristal ou en se comportant comme des pièges pour, par exemple, des précipités d'oxyde comme on le verra plus loin, permettent l'émission de lumière à des longueurs d'ondes supérieures à celle correspondant à la largeur de bande interdite du silicium massif et en particulier aux environs de 1150 à 1600 nanomètres. Mais la méthode de fabrication de diodes ayant des dislocations obtenues par déformation plastique du cristal est difficilement compatible avec la technologie d' intégration à ultra haute échelle standard (connue sous l'acronyme anglo-saxon de ULSI pour ultra-large-scale intégration) employée en microélectronique. Cette technologie ULSI permet d'obtenir des puces ayant plus d'un million de composants. Ces diodes obtenues par déformation plastique présentent des formes et des densités de dislocations difficilement contrôlables. Il est alors difficile d'envisager de les intégrer ensuite dans des dispositifs microélectroniques et/ou photoniques nécessitant des planéités et des états d' interfaces très bien contrôlés et reproductibles . Les dislocations agissent aussi comme des pièges pour des précipités d'oxyde de silicium, ces derniers se formant lors de la diffusion d'oxygène résiduel du cristal lors d'une étape de recuit à haute température. Il a été observé que ces précipités peuvent permettre l'émission de lumière à des longueurs d'ondes supérieures à celle correspondant au gap du silicium.
En outre des diodes à jonction PN ont été réalisées par collage moléculaire de deux plaquettes de silicium monocristallin présentant un réseau de dislocations dû à un angle d' inclinaison résultant entre les axes verticaux des réseaux cristallins des deux plaquettes. Cet angle est connu aussi sous la dénomination angle de flexion ou angle de « tilt » ou de « miscut ». Cet angle de flexion est pratiquement inévitable lorsque l'on assemble entre elles les deux plaquettes. De l' électroluminescence entre 1400 et 1600 nanomètres a été observée dans un cryostat à des températures basses de l'ordre 77°K. Mais la température est encore beaucoup trop basse pour une utilisation courante. De plus, il est très difficile de contrôler le pas des dislocation et donc leur densité ce qui ne permet pas d'optimiser l'efficacité de la jonction PN et de réaliser des jonctions PN reproductibles .
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention a pour but de proposer un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente en matériau semi-conducteur à bande interdite indirecte ne présentant pas les limitations et difficultés ci-dessus.
En particulier un but de la présente invention est d'améliorer l'efficacité et la reproductibilité de réalisation d'une telle jonction PN électroluminescente.
Un autre but de l'invention est de réaliser une telle jonction PN apte à émettre à une longueur d' onde correspondant à la largeur de bande interdite du matériau qui la constitue mais aussi à une ou plusieurs autres longueurs d'ondes. Encore un autre but de l'invention est de réaliser une telle jonction PN apte à émettre à température ambiante.
Un but supplémentaire de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'une telle jonction PN compatible avec les technologies de la microélectronique .
Pour atteindre ces buts l'invention concerne plus précisément un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente consistant en un collage moléculaire d'une face en matériau semiconducteur cristallin dopé d'un premier type d'un premier élément avec une face en matériau semiconducteur cristallin dopé d'un second type opposé au premier type d'un second élément. Le matériau semiconducteur des éléments possède une bande interdite indirecte. Le collage s'effectue en décalant en rotation d'un angle prédéterminé les réseaux cristallins présentés par les dites faces, de manière à au moins provoquer la formation d'un réseau de dislocations de type vis à l'interface de collage.
La formation du réseau de dislocations de type vis, grâce au collage moléculaire, permet d'atteindre les buts recherchés. Le procédé peut comporter une étape ultérieure de recuit thermique sous atmosphère neutre ou « passivante ». Par atmosphère neutre, on entend une atmosphère inerte vis-à-vis du matériau à coller, comme par exemple le vide, une atmosphère d'azote ou d'argon. Par atmosphère « passivante », on entend une atmosphère de tout gaz n'empêchant pas le collage moléculaire et la formation du réseau de dislocations, comme par exemple d'hydrogène, de gaz formique constitué d'hydrogène dans de l'azote ou d'ammoniaque NH3.
En variante, le procédé peut comporter une étape ultérieure de traitement à une température inférieure ou égale à 5000C sous vide, dans le cas d'un collage moléculaire sous vide, pour renforcer le collage moléculaire et éliminer d'éventuels défauts.
Il est préférable, pour obtenir une bonne qualité du collage, de prévoir une étape de nettoyage chimique des faces avant le collage, notamment dans le cas où le collage s'effectue sous pression atmosphérique .
Un nettoyage thermique peut s'ajouter ou se substituer à une étape de nettoyage chimique dans le cas d'un collage moléculaire réalisé sous vide. Ce nettoyage thermique peut être par exemple un recuit haute température sous hydrogène des deux faces avant le collage. Dans le même but, il est préférable de prévoir une étape de désoxydation des faces entre l'étape de nettoyage et l'étape de collage moléculaire proprement dit.
L'un des éléments au moins peut être un bloc de matériau semi-conducteur massif.
En variante, moins coûteuse, l'un des éléments au moins peut être un film d'un substrat composite formé d'un empilement dans lequel le film est en surface. Le substrat composite est avantageusement un substrat semi-conducteur sur isolant. L'un des éléments au moins peut être dopé dans la masse ou en variante peut être dopé en surface.
Il se peut que le collage se fasse en introduisant un angle de flexion entre les deux faces de manière à provoquer un réseau de dislocations de type coin à l'interface de collage en plus du réseau de dislocations de type vis.
Le matériau semi-conducteur des éléments peut être du silicium mais également du germanium, du silicium germanium.
Pour optimiser l'efficacité, on ajuste l'angle de décalage en rotation afin d'induire un réseau de dislocations de type vis ayant un pas aussi petit que possible mais non nul. La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'une diode électroluminescente dans lequel on réalise une jonction PN électroluminescente par le procédé des revendications précédentes et dans lequel on forme sur chaque élément un contact électrique sur une face opposée à celle devant être collée.
Lorsque l'un des éléments au moins est un film d'un substrat composite, on peut réaliser, avant la formation de son contact électrique, une gravure du substrat composite pour mettre à jour la face devant porter le contact électrique.
La présente invention concerne également une jonction PN électroluminescente qui comporte deux éléments cristallins semi-conducteurs dopés de type opposé, ces éléments semi-conducteurs ayant une bande interdite indirecte et étant assemblés l'un à l'autre par collage moléculaire. Elle comporte en outre au moins un réseau de dislocations de type vis à l'interface de collage.
Elle peut comporter de plus un réseau de dislocations de type coin à l'interface de collage, ce qui la rend plus performante.
La présente invention concerne également une diode électroluminescente qui comporte une jonction
PN ainsi caractérisée, chaque élément étant pourvu d'un contact électrique à l'opposé de l'interface de collage .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les figures IA à ID différentes étapes de réalisation d'un exemple d'une jonction PN électroluminescente puis d'un exemple d'une diode électroluminescente selon l'invention ;
Les figures 2A à 2C montrent un autre exemple d'étapes de réalisation d'une jonction PN électroluminescente et d'une diode électroluminescente selon l'invention ;
Les figures 3A à 3D sont des graphiques représentant l'intensité du signal émis par diverses diodes selon l'invention ou de l'art antérieur en fonction de la longueur d'onde du signal émis. Les différentes variantes représentées aux figures 1 et 2 doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On va maintenant décrire un exemple de procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente objet de l'invention puis d'une diode dotée de cette jonction PN en se référant aux figures IA à ID.
On part de deux éléments 10, 20 en matériau semi-conducteur cristallin présentant chacun une face 1, 2 de collage comme illustré sur la figure IA. Ce matériau semi-conducteur possède une bande interdite indirecte, ce peut être par exemple du silicium monocristallin mais d'autres matériaux semi-conducteurs cristallins peuvent être employés comme notamment le germanium, le silicium germanium ou tout semiconducteur à bande interdite indirecte. Les deux éléments 10, 20 peuvent être des cristaux massifs et épais de matériau semi-conducteur comme illustré sur les figures 1 ou être des films comme illustré sur les figures 2. Par film, on entend une couche dont l'épaisseur est inférieure à environ un micromètre.
Le matériau de l'une des faces 1 présente un type de dopage, par exemple N et le matériau de l'autre face 2 présente le type opposé, par exemple P.
Le dopage peut être dans la masse, il a pu être réalisé lors du tirage du cristal ou bien être en surface, il a pu être obtenu par exemple par implantation de dopant. Le dopant peut être par exemple du bore dans l'élément 10 dopé P et du phosphore dans l'élément 20 dopé N. On suppose que dans l'exemple des figures 1, le dopage est en surface et qu'il est dans la masse dans l'exemple des figures 2. Les zones dopées sont référencées 20.1 et 10.1 sur la figure IA. L'inverse serait possible ou l'un des éléments 1, 2 pourrait présenter un dopage dans la masse et l'autre un dopage superficiel. Le taux de dopage peut être compris entre 1016 et quelques 1020 ions/cm3 sachant que le champ électrique interne de la jonction PN dépendra du taux de dopage de chaque zone N ou P comme dans une diode PN classique.
Pour réaliser la jonction PN, on va mettre en contact une face 1 en matériau semi-conducteur cristallin du premier élément 10 avec une face 2 en matériau semi-conducteur cristallin du second élément 20 de façon que les réseaux cristallins présentés par lesdites faces 1, 2 soient décalés en rotation d'un angle prédéterminé. Cet angle de décalage en rotation est connu sous la dénomination anglo-saxonne d'angle de « twist ». Cet angle de « twist » est matérialisé sur la figure IB par les flèches. Sur cette figure sont aussi visibles les trois axes cristallins de l'un des éléments 1, 2.
Cette mise en contact s'effectue avec collage moléculaire. Une telle opération doit se faire avec des surfaces suffisamment lisses et aussi exemptes que possible de contamination.
Il est communément admis que tout collage moléculaire implique une étape de nettoyage puis généralement une étape de désoxydation des faces à coller, ces étapes étant préalables au collage mettant en œuvre l'adhésion moléculaire.
Les deux éléments 10, 20 doivent être maintenus suffisamment rapprochés pour permettre d'initier un contact intime. Des forces attractives entre les faces 1, 2 mises en contact apparaissent et provoquent le collage moléculaire.
Ce collage moléculaire peut être réalisé à température ambiante et pression atmosphérique.
On prévoit donc un nettoyage préalable des deux faces 1, 2 pour permettre cette adhésion moléculaire. Ce nettoyage connu de l'homme de l'art peut consister, notamment lorsque le collage s'effectue sous pression atmosphérique, en un nettoyage chimique par immersion dans un ou plusieurs bains chimiques par exemple à base d'acide chlorhydrique HCl, d'acide nitrique HNO3, d'acide sulfurique H2SO4, d'eau oxygénée H2O2, d'ammoniaque NH3, de mélange CARO (H2SO4 : H2O), d'eau régale, en un nettoyage RCA SCl (NH4OH : H2O2 : H2O) ou SC2 (H2O2 : HCl : H2O) . Ce traitement peut se terminer par un traitement de désoxydation réalisé habituellement par hydrogénation des liaisons pendantes à la surface à l'aide d'acide fluorhydrique HF sous forme de liquide ou de vapeur.
Lorsque l'on réalise un collage silicium/silicium sans couche d'oxyde en surface, on parle de collage hydrophobe . Dans le cas d'un collage oxyde/oxyde on parle de collage hydrophile. Dans le procédé de l'invention, il s'agira de préférence d'un collage hydrophobe.
Le collage moléculaire peut également s'effectuer sous vide. On peut prévoir une étape de nettoyage thermique et/ou une étape de nettoyage chimique au préalable. Le nettoyage thermique peut être un recuit à haute température (typiquement supérieure à 1 1000C) sous hydrogène des faces à assembler réalisé avant le collage. Le nettoyage chimique peut être similaire à celui évoqué plus haut. Le collage moléculaire sous vide s'effectue après désoxydation préalable des deux faces 1, 2 à coller soit thermiquement sous vide, soit par tout autre méthode de désoxydation. Cette technique est connue de l'homme de l'art.
Le renforcement des énergies de collage et du réseau de dislocations ordonnées à l'interface peut être obtenu par la mise en œuvre d'un traitement thermique par exemple à une température supérieure à environ 5000C sous atmosphère neutre par exemple sous vide ou sous atmosphère d'azote, d'argon ou de tout autre gaz inerte vis à vis du matériau à coller. En variante, ce traitement thermique peut être effectué sous atmosphère passivante par exemple sous hydrogène, sous hydrogène dans de l'azote, sous gaz formique, sous ammoniaque NH3, ou tout autre gaz n'empêchant pas le collage ni la formation du réseau de dislocations. La durée du traitement thermique sera fonction de sa température, il sera limité à quelques heures afin de ne pas laisser trop diffuser les dopants.
Ce recuit, dit recuit de scellement, a pour but de renforcer le collage moléculaire et la formation du réseau de dislocations à l'interface de collage, d'éliminer d'éventuels défauts à l'interface ou de permettre la formation d'éventuels précipités, par exemple d'oxyde, au niveau de l'interface de collage soit au niveau de la jonction PN.
Ainsi la majorité des liaisons entre les deux faces 1, 2 sera des liaisons covalentes. Ce traitement vise à éliminer des défauts présents à l'interface de collage 3, tels des bulles.
Si le collage moléculaire a été effectué sous vide, au lieu de procéder à un traitement à haute température, il est possible de procéder à un traitement thermique ultérieur à basse température, inférieure à environ 5000C par exemple et sous vide.
La figure IC montre la structure obtenue après le collage. En raison de l'angle de « twist » un réseau de dislocations 4 de type vis est induit au niveau de l'interface de collage 3 et donc de la jonction PN. Cette dernière a une efficacité améliorée notamment à température ambiante et est apte à émettre à la longueur d' onde correspondant à la largeur de bande interdite du silicium mais aussi à au moins une autre longueur d'onde, comme on le verra ultérieurement en observant les graphiques des figures 3. Dans cet exemple, l'autre longueur d'onde est supérieure à celle correspondant à la bande interdite du silicium.
En effet, on sait que la désorientation angulaire en rotation lors du collage moléculaire de deux plaquettes cristallines induit, au niveau de l'interface de collage, un réseau périodique carré de dislocations de type vis dont le pas dépend de l'angle de « twist ». On peut se référer à l'article [4] dont les références se trouvent en fin de description. Ce réseau de dislocations de type vis permet de modifier localement la largeur de la bande interdite de la jonction PN. Il induit tout d'abord un champ de contraintes spatiales localisé permettant d' augmenter le confinement des porteurs électroniques au niveau de la jonction PN, de bloquer leur diffusion et d'améliorer l'efficacité et le rendement quantique interne de la jonction notamment par rapport à ceux d'une jonction sans dislocation.
Par cette méthode de collage, on peut maîtriser le pas du réseau de dislocations de type vis et donc la densité de dislocations, puisque ce pas dépend de l'angle de « twist » et que l'on peut ajuster avec grande précision cet angle de « twist ». Il est ainsi possible d'optimiser la densité des dislocations qui conditionne l'émission et le rendement quantique interne de la jonction PN obtenue.
L'article référencé [4] décrit une méthode pour introduire un angle de « twist » voulu, avec une grande précision, par exemple de l'ordre du centième de degré, lors de l'assemblage. Les deux éléments sont prélevés dans même bloc de matériau semi-conducteur cristallin, ce dernier étant pourvu de marques de repérage pouvant prendre la forme d'échelles graduées en arc de cercle. Les deux éléments prélevés porteront ces marques de repérage. En alignant les marques de repérage avec introduction d'un décalage relatif, on peut obtenir l'angle de « twist » souhaité. Ainsi, un angle de twist de 20° donne un pas de dislocations vis d'environ 1 nanomètre.
Si les deux éléments ne sont pas issus d'un même bloc cristallin, il est également possible d'ajuster avec grande précision l'angle de « twist » mais il faut déterminer au moins un axe du réseau cristallin de chacun des éléments. Cela peut se faire à l'aide de rayons X par exemple. Dans le document [3], l' électroluminescence n'a été observée que sur des échantillons présentant uniquement une désorientation de flexion, c'est çà dire un angle de « tilt ». En effet, lors de l'assemblage par collage moléculaire, on cherche en général à ne pas introduire d'angle de « twist » de manière à ce que les réseaux cristallins coïncident le plus possible sachant que l'angle de « tilt » est pratiquement inévitable sauf dans le cas de surfaces jumelles obtenues par le procédé smart-cut (marque déposée) . Enfin, les dislocations situées à l'interface de collage et donc au niveau de la jonction peuvent aussi permettre la formation de « puits quantiques », à cause de l'émission à plus basse énergie que le gap, constitués par les dislocations (émission vers 1,5-1,6 micromètre des raies de luminescence des dislocations, en dessous de l'énergie du gap du silicium) ou par les précipités d'oxydes pouvant se former au niveau des dislocations lors du recuit de scellement comme enseigné dans le document
[5] dont les références sont données en fin de description. Ces « puits quantiques » modifient localement les niveaux énergétiques du matériau employé et permettent une émission de lumière à des niveaux d'énergie plus faibles que ceux correspondant à la largeur de bande interdite du matériau cristallin employé. Cela signifie que la lumière émise aura une longueur d'onde différente et dans ce cas supérieure à celle correspondant à la largeur de bande interdite du matériau cristallin employé. La relation qui lie l'énergie et la longueur d'onde est : Énergie (en eV) X longueur d'onde (en A) ≈ 12410
Lors de l'assemblage de deux éléments quelconques, il se produit inévitablement comme on l'a vu plus haut, une désorientation de flexion. Cet angle de « tilt » induit quant à lui un second réseau de dislocations de type coin au niveau de l'interface 3 dont le pas dépend directement de cet angle de « tilt » mais aussi de l'angle de « twist ». On suppose que ce réseau de dislocations de type coin est présent dans l'exemple illustré aux figures 1, mais qu'il se superpose avec le réseau de dislocations de type vis, c'est pourquoi il n'est pas visible. L'introduction de ce second réseau de dislocations de type coin ne peut que renforcer l' électroluminescence de la jonction notamment à température ambiante. Si les deux éléments sont prélevés dans un même bloc cristallin, par exemple par fracture, et qu'ils sont assemblés au niveau de la fracture, l'angle de « tilt » est nul.
La jonction PN obtenue peut être utilisée notamment dans des circuits intégrés ou dans des diodes.
Pour obtenir une diode électroluminescente à partir de la jonction PN obtenue précédemment, il suffit de réaliser des contacts électriques 11, 21, chacun sur un des éléments assemblés 10, 20, à l'opposé de l'interface de collage 3. Ces contacts électriques sont référencés 11 et 21 sur la figure ID. Ces contacts électriques 11, 21 peuvent être réalisés par pulvérisation de métal et éventuellement recuit thermique. Ils peuvent recouvrir en totalité la face de l'élément 1, 2 qui est opposée à celle assemblée ou être délimités sur cette face. Ces contacts électriques 11, 21 peuvent être de type ohmique ou de type schottky. Les contacts électriques 11, 21 peuvent être réalisés par exemple à base de titane, d'aluminium, de nickel, d'or, de tungstène. Les contacts seront de type ohmique ou schottky selon le type et le taux de dopage du semi-conducteur ainsi que la nature du métal employé
(niveau de Fermi du métal/semi-conducteur) . Par exemple un dépôt d'or sur du silicium de type N ou un dépôt d'aluminium sur du silicium de type P est généralement ohmique après retrait préalable de l'oxyde en surface du silicium avant le dépôt du métal. Par contre un dépôt d'aluminium sur du silicium dopé de type N avec un taux de dopage inférieur à 5.1019 ions/cm3 est de type schottky. Ces contacts électriques 11, 21 permettent l'établissement de courant à travers la diode et l'injection de porteurs électroniques dans la jonction
PN à réseau de dislocations pour qu'elle émette de la lumière.
On va voir maintenant un autre exemple de jonction PN selon l'invention en se référant à la figure 2A. Au lieu que les deux éléments soient des cristaux massifs et épais, il peut s'agir de deux films 103, 203 faisant partie chacun d'un substrat composite 100, 200. On suppose que les deux films 103, 203 sont dopés massivement et plus seulement superficiellement. Un tel substrat composite 100, 200 peut être formé d'un empilement de plusieurs couches incluant le film en surface. L'empilement peut comporter successivement un support 101, 201 généralement en matériau semiconducteur, une couche en matériau diélectrique 102, 202 et un film 103, 203 en matériau semi-conducteur cristallin. Il peut s'agir d'un substrat de type semi- conducteur sur isolant et plus précisément de type silicium sur isolant (connu sous l'acronyme anglo-saxon SOI pour silicon on insulator) ou d'un substrat germanium sur isolant (connu sous l'acronyme anglo- saxon GOI ou GeOI pour germanium on insulator) . L'assemblage et les traitements avant et après assemblage se feront comme décrit précédemment aux figures 1. L'intérêt de ces substrats SOI ou autres se situe en terme d'applications pour l'optique comme par exemple la réalisation de cristaux photoniques, ou pour la microélectronique. Pour réaliser les contacts électriques 11, 21, on va mettre à nu, de préférence partiellement, pour chaque élément, une face opposée à celle qui est assemblée du film 103, 203. Les zones mises à nue 104, 204 peuvent être obtenues par gravure chimique du silicium par exemple à l'aide de solutions de KOH OU TMAH. Cette gravure chimique peut être complétée par des techniques de gravures plasma pour la couche diélectrique en oxyde de silicium ou des mélanges d'acide fluorhydrique . Cette gravure chimique se fait à partir des supports 101, 201 des substrats composites 100, 200 à travers la couche diélectrique 102, 202.
Les contacts électriques 11, 21 recouvrent les zones mises à nu 104, 204. Ils peuvent être réalisés comme décrit précédemment par exemple par une pulvérisation localisée.
On va maintenant s'intéresser à des graphiques illustrant l'intensité de la lumière émise par des diodes selon l'invention en fonction de la longueur d'onde pour différentes températures et différents angles de « twist » en se référant aux figures 3A à 3D.
Sur la figure 3A, les mesures ont été faites à 3000K (température ambiante) avec des jonctions PN en silicium selon l'invention. Des jonctions PN présentant des angles de « twist » de 2°, 20°, 45° ont été testées. L'angle de « tilt » n'est pas connu et il peut être nul mais cela est peu probable. On a également testé une jonction PN, obtenue par collage moléculaire, présentant un angle de « twist » nul mais un présentant un angle de « tilt » donné et faisant donc partie de l'art antérieur.
Ces angles de « twist » induisent respectivement pour les collages avec angle de « twist » de 0°, 2° et 20°, un réseau périodique de dislocations de type vis au pas de 100 nm, 10 nm et 1 nm. Le collage avec un angle de « twist » de 0° présente toujours une désorientation extrêmement faible induisant un réseau de « twist » avec un pas de l'ordre de 100 nm, voire plus grand, comparable à celui généralement observé pour des dislocations dues à l'angle de « tilt ». On s'aperçoit que plus le pas est petit (mais non nul) plus l'intensité du signal est forte. La courbe correspondant à l'angle de « twist » de 20 degrés, présente des pics fortement marqués à la longueur d' onde correspondant à la largeur de bande du silicium (1150 nm) mais aussi aux alentours de 1550 nm. L'efficacité de l' électroluminescence est incontestablement améliorée par rapport à l'art antérieur. L'échantillon de l'art antérieur n'émet un signal qu'à la longueur d'onde correspondant à la largeur de bande interdite du silicium, soit aux alentours de 1150 nm. En l'absence de réseau de dislocations, c'est-à-dire dans le cas de l'angle de « twist » de 45°, le signal émis est sensiblement nul.
Sur la figure 3B, les mesures ont été faites à 800K (basse température) avec des jonctions PN en silicium selon l'invention et conventionnelle. Elles présentant des angles de « twist » de 2°, 20° et un angle de « twist » proche de 0° ou nul pour la jonction conventionnelle. Ces angles induisent respectivement un réseau périodique de dislocations de type vis au pas de 10 nm pour l'angle de « twist » de 2°, 1 nm pour l'angle de « twist » de 20° et 100 nm pour l'angle de « twist » nul. Pour la jonction PN conventionnelle, l'angle de « tilt » induit un réseau de dislocations de type coin ainsi qu'un réseau de dislocations de type vis de pas au minimum d'une centaine de nanomètres, dû à l'imperfection d'alignement des deux éléments. En effet dans la pratique, il reste généralement un léger désalignement angulaire car il est difficile de parfaitement aligner les deux réseaux cristallins avec une précision inférieure à 0,01° comme évoqué dans le document [4 ] .
Ici encore, plus le pas est petit plus l'intensité du signal est forte. Le pic le plus intense est obtenu dans ce cas, dans la bande 1400 nm à 1600 nm et plus particulièrement aux alentours de 1500 nm. Cette longueur d'onde est différente et supérieure à celle qui correspond à la largeur de bande interdite du silicium. L'autre pic se trouve aux alentours de 1150 nanomètres .
La figure 3C permet de comparer les résultats obtenus sur les figures 3A et 3B pour la jonction selon l'invention présentant le pas le plus petit et donc la densité de dislocations la plus forte. L'augmentation de l'intensité lumineuse obtenue aux alentours de 1500 nm à 800K par rapport à celle obtenue à 3000K permet de déduire que des « puits quantiques » sont présents dans la jonction PN testée à 800K. Sur la figure 3D, on a comparé, à température ambiante 3000K, l'intensité du signal d'une jonction PN de l'invention par rapport à celle délivrée par une jonction PN conventionnelle. Les deux jonctions sont des jonctions au silicium. La jonction PN de l'invention, obtenue par collage, présente un angle de « twist » de 20° et on lui a injecté une puissance de 0,156 W. La jonction PN conventionnelle, également obtenue par collage, présente un angle de « twist » nul. On lui a injecté une puissance de 2,2 W. Les deux éléments de ces jonctions ont été traités à l'acide fluorhydrique liquide avant assemblage. La comparaison s'effectue à la longueur d'onde correspondant à la largeur de bande interdite du silicium. On peut en déduire, compte tenu des puissances injectées, que la jonction PN selon l'invention est quarante fois plus efficace que celle conventionnelle.
Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, il est possible que l'un des éléments soit un bloc de matériau semi-conducteur massif et que l'autre élément soit un film.
DOCUMENTS CITES
[1] "An efficient room-temperature silicon-based light- emitting diode" Wai Lek Ng et al., Nature, vol. 410, 8 March 2001, pages 192-194.
[2] "Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence" V. Kveder et al., Applied Physics Letter, volume 84, Number 12, 22 March 2004, pages 2106-2108.
[3] "Electroluminescence from silicon P-N junctions prepared by wafer bonding", Einar Ô. Sveinbj δrnsson et al. Electrochemical Society Proceedings, September 1, 2002, vol.97-36, pages 264-271.
[4] "Accurate control of the misorientation angles in direct wafer bonding" Frank Fournel et al. Applied Physics Letters, volume 80, number 5, 4 February 2002, pages 793-795.
[5] "Optical properties of oxygen précipitâtes and dislocations in silicon" S. Binetti et al. Journal of Applied Physics, volume 92, number 5, 1 September 2002, pages 2437-2445.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente consistant en un collage moléculaire d'une face (1) en matériau semi-conducteur cristallin dopé d'un premier type d'un premier élément (10) avec une face (2) en matériau semi-conducteur cristallin dopé d'un second type opposé au premier type d'un second élément (2), le matériau semi-conducteur possédant une bande interdite indirecte, dans lequel, le collage s'effectue en décalant en rotation d'un angle prédéterminé les réseaux cristallins présentés par les dites faces, de manière à au moins provoquer la formation d'un réseau de dislocations (4) de type vis à l'interface (3) de collage.
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape ultérieure de recuit thermique, sous atmosphère neutre ou passivante, apte à renforcer le collage moléculaire et éliminer des défauts à l'interface (3) de collage.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le collage est réalisé sous vide, le procédé comprenant une étape ultérieure de traitement à une température inférieure ou égale à 5000C sous vide, apte à renforcer le collage moléculaire et éliminer des défauts .
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le collage moléculaire est réalisé à pression atmosphérique, le procédé comprenant une étape de nettoyage chimique des faces (1, 2), préalable au collage moléculaire.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le collage moléculaire est réalisé sous vide, le procédé comprenant une étape de nettoyage chimique et/ou thermique sous vide des faces (1, 2) préalable au collage moléculaire.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, comprenant une étape de désoxydation des faces
(1, 2) entre l'étape de nettoyage et l'étape de collage .
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'un des éléments (10, 20) au moins est un bloc de matériau semi-conducteur massif.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'un des éléments (103, 203) au moins est un film d'un substrat composite (100, 200) formé d'un empilement dans lequel le film est en surface.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le substrat composite (100, 200) est un substrat semi-conducteur sur isolant.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'un des éléments (103, 203) au moins est dopé dans la masse.
11. Procédé selon l'une des revendications
1 à 10, dans lequel l'un des éléments (10, 20) au moins est dopé en surface.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le collage se fait en introduisant un angle de flexion entre les deux faces (1, 2) de manière à provoquer un réseau de dislocations de type coin à l'interface (4) de collage en plus du réseau de dislocations de type vis.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau semi-conducteur est du silicium, du germanium, du silicium germanium.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on ajuste l'angle de décalage en rotation afin d' induire un réseau de dislocations
(4) de type vis ayant un pas aussi petit que possible mais non nul.
15. Procédé de réalisation d'une diode électroluminescente dans lequel on réalise une jonction PN électroluminescente par le procédé des revendications 1 à 14, et on forme sur chaque élément un contact électrique (11, 21) sur une face opposée à celle devant être collée.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel, lorsque l'un des éléments (103, 203) au moins est un film d'un substrat composite (100, 200), on réalise, avant la formation de son contact électrique
(11, 21), une gravure du substrat composite (100, 200) pour mettre à jour la face devant porter le contact électrique (11, 21).
17. Jonction PN électroluminescente, comportant deux éléments (10, 20) cristallins semiconducteurs dopés de type opposé, assemblés l'un à l'autre par collage moléculaire, le semi-conducteur possédant une bande interdite indirecte, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un réseau de dislocations (4) de type vis à l'interface (3) de collage .
18. Jonction PN selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus un réseau de dislocations de type coin à l'interface (3) de collage .
19. Diode électroluminescente, caractérisée en ce qu'elle comporte une jonction PN selon l'une des revendications précédentes, chaque élément (10, 20) étant pourvu d'un contact électrique (11, 21) à l'opposé de l'interface (3) de collage.
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