FR2607322A1 - Procede de croissance epitaxiale d'un compose semi-conducteur - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE CROISSANCE EPITAXIALE DE COMPOSES SEMI-CONDUCTEURS. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE DANS LEQUEL UN PREMIER COMPOSE GAZEUX, CONTENANT PAR EXEMPLE DU GALLIUM, EST INTRODUIT DANS UNE ENCEINTE 11 DE CROISSANCE CRISTALLINE A PROXIMITE D'UN SUBSTRAT CRISTALLIN 7, AFIN QU'UNE MONOCOUCHE DE L'ELEMENT CORRESPONDANT SE FORME. ENSUITE, UNE MONOCOUCHE D'UN AUTRE ELEMENT, TEL QUE AL, EST FORMEE, ET UNE MONOCOUCHE D'UN TROISIEME ELEMENT, PAR EXEMPLE AS, EST FORMEE. CETTE SEQUENCE EST REPETEE UN NOMBRE DE FOIS SUFFISANT POUR QUE LA STRUCTURE OBTENUE AIT L'EPAISSEUR VOULUE. CE PROCEDE PERMET LA REALISATION DE DISPOSITIFS A SEMI-CONDUCTEURS D'EPAISSEUR REGLEE AVEC PRECISION. APPLICATION A LA FABRICATION DE COMPOSANTS A L'ARSENIURE DE GALLIUM.

Description

La présente invention concerne une technique de croissance épitaxiale d'un

composé semi-conducteur, et plus

précisément, un procédé de croissance épitaxiale d'un semi-

conducteur en solution solide formé d'un alliage au moins ternaire, dans lequel l'épaisseur du semi-conducteur peut

être réglée avec une précision d'une monocouche.

On a déjà proposé divers dispositifs à semi-

conducteur utilisant des composés semi-conducteurs d'éléments des groupes III et V, tels qu'un semi-conducteur ayant une hétérojonction entre des films minces de GaAs et

Al Ga As, et des semi-conducteurs ayant des hétéro-

x 1-x jonctions, tels que des structures à transistors à mobilité électronique élevée (HEMT) ou des superstructures, formées

à l'aide d'un gaz électronique bidimensionnel.

Compte tenu de ces propositions de dispositifs à semi-conducteur, la mise au point d'excellentes techniques

de croissance cristalline en films minces de composés semi-

conducteurs est devenue urgente.

L'épitaxie par faisceau moléculaire (appelée dans la suite "MBE"), l'épitaxie en phase vapeur en présence d'un composé organo-métallique (appelée dans la suite "MO-CVD") et l'épitaxie en couche moléculaire (appelée dans la suite "MLE") sont bien connues comme techniques de formation de films minces de semi-conducteurs tels que GaAs ou

Al Ga As.

x 1-x Le procédé MO-CVD est très utilisé car l'appareil destiné à sa mise en oeuvre est simple et convient à la

fabrication en grande série. Cependant, dans le procédé MO-

CVD, l'épaisseur du film mince semi-conducteur à former ne

peut pas être réglée avec une précision d'une monocouche.

Ainsi, le procédé MO-CVD ne convient pas à la fabrication

d'une structure HEMT et d'une superstructure.

Dans le procédé MBE, comme la matière première d'un film mince cristallin formé sur un substrat cristallin est chauffée et comme la vapeur de la matière première se dépose sur le substrat, la vitesse de croissance du film mince cristallin peut être maintenue à une très faible

valeur si bien que les possibilités de réglage de l'épais-

seur de ce mince film sont meilleures que celles du procédé MO-CVD. Cependant, le réglage de l'épaisseur du film mince avec une précision d'une monocouche n'est pas facile, le problème étant sur le point d'être résolu par utilisation

d'un contrôle par le procédé RHEED (diffraction par réfle-

xion d'électrons d'énergie élevée). En outre, l'obtention

d'un cristal de qualité élevée dans le procédé MBE néces-

site le réglage de la température de croissance à une

valeur élevée, par exemple d'environ 550-600 C. La tempé-

rature de croissance est normalement réglée à une valeur de

550-600 C pour GaAs et de plus de 600 C pour Al Ga As.

x l-x

Cependant, le fait que Al a tendance à s'oxyder plus faci-

lement à une telle température élevée introduit un défaut important car le cristal formé de Al Ga As a une mauvaise x 1-x

planéité. En outre, lorsqu'un profil abrupt de concentra-

tion d'impuretés doit être formé dans un tel cristal, la

redistribution du profil d'impureté due à une telle tempé-

rature élevée de croissance, pose un problème. De plus, comme le procédé MBE repose sur le procédé de dépôt en phase vapeur, des écarts par rapport à la composition

stoechiométrique d'un film mince cristallin peuvent appa-

raître ou un défaut cristallin peut être introduit, par

exemple un défaut d'ovalisation dans le film mince cristal-

lin formé.

L'épitaxie en couche moléculaire est bien connue

comme procédé de croissance cristalline. Lors de la crois-

sance d'un cristal d'un composé contenant des éléments des groupes III et V, un composé gazeux contenant un élément du groupe III et un autre composé contenant un élément du groupe V sont introduits en alternance sur un substrat afin

que le cristal du composé contenant les éléments des grou-

pes III et V soit formé monocouche par monocouche (voir par

exemple l'article de J. Nishizawa, H. Abe et T. Kurabaya-

shi, J. Electrochem. Soc. 132 (1985) 1197-1200). Ce procédé met en oeuvre l'adsorption et la réaction superficielle des composés gazeux. Par exemple, dans le cas de la formation d'un cristal contenant des éléments des groupes III et V, la croissance d'une seule monocouche du cristal est obtenue par introduction d'un composé contenant l'élément du groupe III et d'un autre composé gazeux contenant l'élément du groupe V pendant un certain temps. Comme le procédé met en oeuvre l'adsorption en monocouche à partir des composés

gazeux, la croissance du cristal, monocouche par mono-

couche, peut toujours être obtenue, même lorsqu'il apparaît

une fluctuation de la pression des composés gazeux intro-

duits. Selon ce procédé, bien qu'on ait couramment utilisé le triméthylgallium (appelé dans la suite TMG) comme alkyl-gallium et l'arsine (AsH) comme hydrure d'arsenic, GaAs de pureté élevée peut être formé à une plus basse température par remplacement, comme alkyl-gallium, du TMG par le triéthyl-gallium (appelé dans la suite TEG) (voir

par exemple l'article de J. Nishizawa, H. Abe, T. Kurabaya-

shi et N. Sakurai, J. Vac. Sci. Technol. A4(3), (1986) 706-

710). Les procédés décrits précédemment se rapportent

cependant à la croissance épitaxiale de composés semi-

conducteurs de deux éléments. Dans la croissance épitaxiale

d'alliages ternaires semi-conducteurs, des produits d'ex-

cellente qualité ne peuvent donc pas être obtenus par ces procédés. Dans le cas du procédé MLE en particulier, des couches atomiques d'un seul type d'élément X ou Y sont empilées en alternance pour la formation d'un composé XY, alors que la notion de couche atomique d'un seul type d'élément n'est plus valable dans le cas de A B dans une x l-x solution solide A B C. Dans le cas de solutions solides x l-x contenant quatre éléments ou plus, la situation est la même

que dans celle des solutions solides contenant trois élé-

ments.

Compte tenu des considérations qui précèdent, l'in-

vention concerne un procédé de croissance épitaxiale de composés semiconducteurs en solution solide, par mise en oeuvre de la notion d'une croissance en monocouches, dans laquelle l'épaisseur de la solution solide formée par croissance épitaxiale peut être réglée avec la précision

d'une monocouche.

Plus précisément, l'invention a pour objet un procé-

dé de croissance épitaxiale d'un film mince en solution solide contenant trois éléménts ou plus, ayant une bonne reproductibilité et convenant à une fabrication en grande

série, l'épaisseur du film mince formé par croissance épi-

taxiale pouvant être réglée avec une précision de quelques

angstroems, toujours d'une manière simple.

L'invention a aussi pour objet un procédé de crois-

sance épitaxiale d'un film mince en solution solide conte-

nant au moins trois éléments, dans lequel, un film mince en solution solide peut être formé par croissance épitaxiale à

une température relativement basse de croissance par sélec-

tion appropriée des matières premières afin que des dispo-

sitifs à semi-conducteur de qualité élevée puissent être fabriqués. L'invention concerne donc un procédé de croissance

épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristal-

lin, d'un film mince monocristallin d'un composé semi-

conducteur A B C contenant trois éléments constituants A, x l-x B et C, deux de ces éléments étant des éléments du même groupe, procédé qui comprend l'introduction d'un composé gazeux contenant l'un des éléments constituants du composé

semi-conducteur, dans une enceinte de croissance cristal-

line, à une pression prédéterminée et pendant une période prédéterminée, l'introduction d'un composé gazeux contenant un autre élément constituant du composé semi-conducteur,

dans l'enceinte de croissance cristalline, sous une pres-

sion prédéterminée et pendant une période prédéterminée, l'introduction d'un composé gazeux contenant encore un autre élément constituant du composé semi-conducteur, dans

l'enceinte de croissance cristalline, à une pression prédé-

terminée et pendant une période prédéterminée, et la répé-

tition d'une séquence des étapes précédentes.

Selon d'autres caractéristiques du procédé: - chacun des trois éléments est un élément du groupe III ou du groupe V, - chacun des trois éléments est un élément du groupe II ou du groupe VI, - les trois éléments A, B et C sont respectivement Al, Ga et As, et un composé gazeux contenant Al, un composé gazeux contenant Ga et un composé gazeux contenant As sont introduits successivement, dans cet ordre, dans l'enceinte de croissance cristalline, - les trois éléments A, B et C sont respectivement Ga, Al et As, et du triéthyl-gallium gazeux est utilisé

comme composé gazeux contenant Ga, alors que du triéthyl-

aluminium gazeux ou du triisobutyl-aluminium gazeux est utilisé comme composé gazeux contenant Al, la croissance

cristalline étant réalisée dans l'ordre Ga, Al et As.

Selon une variante, le procédé de croissance épita-

xiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un monocristal d'un composé semi-conducteur dopé par un élément d'impureté, est caractérisé en ce qu'un composé gazeux III contenant un élément du groupe III formant l'un A des éléments constituants du composé semi- conducteur, un composé gazeux III contenant un autre élément du groupe B

III formant un autre élément constituant du composé semi-

conducteur, un composé gazeux V contenant un élément du C groupe V, formant encore un autre élément constituant du composé semi-conducteur, et un composé gazeux ou gaz de

dopge contenant l'élément d'impureté du composé semi-

conducteur sont introduits successivement dans une enceinte de croissance cristalline, dans cet ordre ou dans l'ordre

VC, IIIA, IIIB et le gaz de dopage.

C B Selon d'autres caractéristiques: - les deux éléments du groupe III et l'élément du groupe V sont Ga, Al et As respectivement, et l'élément d'impureté contenu dans le gaz de dopage est un élément du groupe II, IV ou VI, - le gaz de dopage est le disilane (Si2H6), le diméthyl-zinc, le diméthyl-cadmium, le triméthyl-gallium, l'hydrure de sélénium (H2Se), le diéthyl-sélénium ou le diéthyl-tellure. Selon une autre variante, le procédé de croissance

épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristal-

lin, d'un monocristal d'un composé semi-conducteur dopé par une impureté et contenant deux éléments du groupe III et un élément du groupe V comme éléments constituants, et un élément du groupe II, un élément du groupe IV et un élément du groupe VI comme éléments d'impuretés, est caractérisé en

ce qu'un composé gazeux III contenant l'un des deux élé-

A ments du groupe III, un composé gazeux III contenant B - l'autre des deux éléments du groupe III, un composé gazeux V contenant l'élément du groupe V, un composé gazeux II contenant l'élément du groupe II, un composé gazeux IV B contenant l'élément du groupe IV et un composé gazeux IV E contenant l'élément du groupe IV et un composé gazeux VI tF contenant l'élément du groupe VI sont introduits dans une enceinte (11) de croissance cristalline dans l'ordre II, D

IIIA, IIIB, IVE, V et VI, successivement.

Selon une variante, le procédé de croissance épita-

xiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un monocristal d'un composé semi-conducteur en solution solide ou formant un alliage quaternaire, contenant quatre éléments constituants tels que deux éléments du groupe III et deux éléments du groupe V, est caractérisé en ce qu'un composé gazeux III contenant un premier élément des deux A éléments du groupe III, un composé gazeux III contenant un B autre élément des deux éléments du groupe III, un composé gazeux V contenant un élément des deux éléments du groupe C V, et un composé gazeux V contenant l'autre élément des D deux éléments du groupe V, sont introduits dans l'enceinte

de croissance cristalline, dans cet ordre.

Les composés gazeux IIIA, IIIB, V et V peuvent

C D

être respectivement un alkyl-indium, un alkyl-gallium,

l'arsine (AsH3) et la phosphamine (PH3).

Dans le procédé selon l'invention le substrat cris-

tallin peut être irradié par des rayons ultraviolets pen-

dant la croissance cristalline.

Plus particulièrement, le procédé de croissance

épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristal-

lin, d'un monocristal d'un composé semi-conducteur conte-

nant trois éléments constituants, deux éléments parmi eux étant des éléments du même groupe mais un autre étant un élément d'un groupe différent, est caractérisé selon l'in- vention en ce que trois types de composés gazeux contenant

chacun un élément différent des trois éléments consti-

tuants, sont introduits successivement dans une enceinte de

croissance cristalline, à une pression prédéterminée, pen-

dant une période prédéterminée, et une telle introduction en série, suivant un certain ordre, des trois types de

composés gazeux est répétée afin qu'une structure multi-

couche à films minces, constituant une solution solide de deux éléments de groupes différents et une solution solide

des trois éléments constituants, soit formée.

Selon diverses variantes de ce procédé: - les solutions solides de deux éléments de groupes

différents et des trois éléments constituant sont des solu-

tions solides d'éléments des groupes II-IV, - les deux éléments de groupes différents sont Ga et As alors que les trois éléments constituants sont Ga, Al et As, - du triéthyl-aluminium ou du triisobutyl- aluminium est utilisé comme l'un des trois types de composés gazeux contenant Al, alors que du triéthyl-gallium est utilisé comme l'un des trois types de composés gazeux contenant Ga, - les impuretés utilisées sont le disilane (Si2H6), le triméthyl-gallium, l'hydrure de sélénium (H2Se), le diéthyl-sélénium, le diéthyl-tellure, le diméthyl-cadmium

ou le diméthyl-zinc.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure lA est une schéma d'un dispositif de croissance cristalline destiné à la croissance épitaxiale d'une couche de Al Ga As selon l'invention; xla figure B est un diagramme des temps représentant-x la figure lB est un diagramme des temps représentant divers modes d'introduction de gaz dans des procédés de croissance épitaxiale; la figure 2 est un graphique représentant un exemple mesuré du constituant Ai dans une structure multicouche de Al Ga As et GaAs; x 1-x la figure 3A est une coupe représentant la structure

d'un condensateur métal-isolant-semni-conducteur (MIS) fa-

briqué à titre d'essai selon l'invention;

la figure 3B est un graphique représentant la rela-

tion caractéristique entre la capacité et la tension appli-

quée au condensateur MIS;

la figure 4A est un schéma d'un dispositif de crois-

sance cristalline destiné à effectuer la croissance épita-

xiale de Al Ga As dopé par des impuretés; x 1-x la figure 4B est un diagramme des temps représentant

des modes d'introduction de gaz dans les procédés de crois-

sance épitaxiale avec dopage par des impuretés; la figure 5 est un schéma d'un dispositif destiné à la croissance épitaxiale de Ai Ga As, en présence d'une x 1-x irradiation par de la lumière;

la figure 6 est un schéma d'un dispositif de crois-

sance épitaxiale de composés semi-conducteurs en solution solide des types III-V et II-V contenant trois et quatre éléments; les figures 7A à 11 sont des coupes schématiques représentant les structures de films extrêmement minces obtenus par croissance épitaxiale selon l'invention;

la figure 12A est un schéma représentant la cons-

truction d'un dispositif destiné à assurer la mise en oeuvre automatique de procédés de croissance épitaxiale selon l'invention;

la figure 12B est un schéma représentant la cons-

truction interne d'une unité de commande de la figure 12A, destinée à commander le mode d'introduction d'un composé gazeux; la figure 12C est un diagramme des temps illustrant un procédé mis en oevure par le dispositif de croissance cristalline représenté sur la figure 12A;

la figure 13A est un schéma représentant la cons-

truction d'un autre dispositif destiné à mettre en oeuvre

automatiquement les procédés de croissance épitaxiale ac-

compagnés d'une irradiation par de la lumière; et la figure 13B est un diagramme des temps illustrant un procédé mis en oeuvre par le dispositif de croissance

cristalline de la figure 13A.

Un mode de réalisation préféré de l'invention, des-

tiné à la croissance épitaxiale d'un film mince monocris-

tallin de Al Ga As, est maintenant décrit en référence au x 1-x schéma de la figure 1A. Un cristal 7 formant un substrat de GaAs est monté sur un support 8 de quartz placé dans une enceinte 11 de croissance cristalline. L'enceinte 11 est reliée à un système 13 d'évacuation par l'intermédiaire d'un robinet-vanne 12 qui est destiné à évacuer l'intérieur jusqu'à un vide très poussé. L'enceinte 11 a aussi une lampe infrarouge 10 enfermée dans un boîtier 9 et destinée à irradier le substrat cristallin 7 de GaAs. L'enceinte 11 a en outre trois buses 1, 2 et 3 destinées à l'introduction

d'un alkyl-aluminium, sous forme d'un composé gazeux conte-

nant de l'aluminium (Al), d'un alkyl-gallium, sous forme d'un composé gazeux contenant du gallium (Ga) et d'arsine

(AsH3) sous forme d'un composé gazeux contenant de l'arse-

nic (As), respectivement. Les buses 1, 2 et 3 sont reliées à des sources externes par des unités respectives 4, 5 et 6 de réglage de la quantité des composés gazeux respectifs introduite par unité de temps. Ces unités 4, 5 et 6 de réglage sont couplées à un système 14 de réglage du mode

d'introduction des divers composés gazeux.

Une couche mince monocristalline de Al Ga As est x 1-x

formée de la manière décrite dans la suite. D'abord, l'en-

-9 ceinte 11 est évacuée à un vide compris entre environ 10 -10

et 10 torr, par ouverture du robinet-vanne 12 et com-

mande du système 13 d'évacuation. Ce dernier peut comporter un ensemble à pompe à vide comprenant une combinaison d'unités de pompage, par exemple des pompes cryogéniques et des turbopompes moléculaires. Ensuite, le substrat 7 de

GaAs est chauffé à une température de croissance cristal-

line de 300 à 500 C par la lampe infrarouge 10 et la température de croissance est maintenue constante. Ensuite, un alkyl-aluminium, constituant un composé gazeux contenant de l'aluminium, un alkyl-gallium, constituant un composé

gazeux contenant du gallium, et de l'arsine (AsH), consti-

tuant un composé gazeux contenant de l'arsenic, sont intro-

duits dans l'enceinte 11, d'une manière décrite dans la suite plus en détail, afin que la croissance épitaxiale du monocristal de Al Ga As soit réalisée, avec maintien des x l-x possibilités de réglage de l'épaisseur des films minces de

Al Ga As à quelques angstroems près.

x 1-x Des exemples du mode d'introduction des trois types de composés gazeux sont décrits dans la suite en référence à la figure lB sur laquelle trois exemples de modes sont représentés. Dans chaque mode, les moments d'ouverture et

de fermeture, utilisés pour l'introduction de chaque compo-

sé gazeux, sont réglés par le système 14 de commande alors que la quantité de composés gazeux introduite par unité de temps est réglée par les ensembles 4, 5 et 6 de commande respectivement. Dans un mode représenté sur la figure lB comme étant

le mode I, un alkyl-gallium gazeux, formant un gaz conte-

nant Ga, est d'abord introduit pendant un temps t après une période d'évacuation t. L'enceinte 11 est à noveau

évacuée par manoeuvre du robinet-vanne 12. Après une pé-

riode t2, un alkyl-aluminium gazeux est introduit sous forme d'un gaz contenant de l'aluminium pendant une période t. Ensuite, l'enceinte 11 est à nouveau évacuée pendant une période t4. Ensuite, de l'arsine gazeuse (AsH3) est introduite comme gaz contenant As pendant une période t5. A la suite de ce cycle de fonctionnement qui nécessite une période totale t, un film mince monocristallin ayant une

épaisseur de quelques angstroems est formé.

Dans ce mode I, la croissance cristalline est effec-

tuée de manière répétée, au cours d'essais dans diverses conditions, de la manière suivante: t = 0 à 5 s, t = 1 à 6 s, t = 0 à 5 s, t = 1 à 6 s, 0 i 2 3

t = 0 à 5 s, t = 5 à 20 set t = 7 à 47 s.

4 56

Dans un autre mode illustré sur la figure lB par le mode II, la même opération est réalisée, mais l'ordre d'introduction d'un gaz contenant Ga et d'un gaz contenant

Al est inversé.

Dans ce mode II, la croissance cristalline est réa-

lisée de manière répétée, à titre d'essai, dans diverses

conditions, de la manière suivante: -

t = 0 à 5 s, t = 1 à 6 s, t = 0 à 5 s, t =1 à 6 s,

11 12 13

t = 0 à 5 s, t = 5 à 20 s et t = 7 à 47 s.

14 15 16

Dans un autre mode illustré sur la figure lB comme étant le mode III, un gaz contenant As est introduit après

l'introduction et la période d'évacuation d'un gaz conte-

nant Al et, ensuite, le gaz contenant As est introduit à nouveau, après les périodes d'introduction et d'évacuation

d'un gaz contenant Ga.

Dans ce mode III, la croissance cristalline est

exécutée de manière répétée, au cours d'essais, dans diver-

ses conditions qui sont les suivantes: t = 0 à 5 s, t = 1 à 6 s, t = 0 à 5 s,

21 22

t = 5 à 20 s, t = 0 à 5 s, t = 1 à 6 s,

23 24 25

t = às 5 s, t27 = 5 à 20 set t28 = 12 à 72 s.

26 27 28

Dans tous les modes décrits précédemment, la _res-

sion interne de l'enceinte 11 est maintenue entre 10 et -4

torr pendant la période d'introduction de l'alkyl-

-6 -4

aluminium gazeux, entre 10 et 10 torr pendant la période d'introduction de l'alkyl-gallium gazeux et entre

-5 -3

10 et 10 torr pendant la période d'introduction de

l'arsine gazeuse.

En outre, dans tous les modes, l'une des matières

telles que le triméthyl-aluminium (TMA), le triéthyl-alumi-

nium (TEA) et le triisobutyl-aluminium (TIBA) est utilisée

à titre expérimental comme alkyl-aluminium gazeux initial.

De plus, l'une des matières telles que le triméthyl-gallium (TMG) et le triéthyl-gallium (TEG) est utilisée à titre expérimental comme alkylgallium gazeux initial. Dans tous les cas, l'arsine (AsH3) est utilisée comme gaz contenant As. On considère maintenant les caractéristiques des minces couches épitaxiales de Al Ga As qui sont obtenues x 1-x dans divers cas tels que décrits précédemment. La densité des porteurs dans une couche épitaxiale de Al Ga As qui x 1-x est formée par utilisation de TMA comme alkyl-aluminium et de 20TMG comme alkyl-gallium est comprise entre 10 et -3 10 cm (type p) à température ambiante. Lorsque TEG est utilisé comme alkyl-gallium, la densité obtenue de porteurs

18 -3

est comprise entre 10 et 10 cm (type p), par utilisa-

tion de TEA comme alkyl-aluminium alors que la densité

13 15 -3

obtenue des porteurs est de 10 à 10 cm (type p) lors de l'utilisation de TIBA comme alkyl-aluminium, si bien qu'une couche de Al Ga As de pureté accrue peut être x 1-x obtenue. En outre, lorsque les trois modes illustrés par la figure B sont mis en oeuvre par utilisation des mêmes composés gazeux correspondants et des mêmes conditions de pression interne de l'enceinte 11 pendant l'introduction de

chaque composé gazeux dans chaque mode, une couche épita-

xiale de Al Ga As ayant la plus faible densité de por-

x 1-x teurs peut être obtenue par le mode II. Dans le cas o on utilise TEG comme alkyl-gallium, TIBA comme alkyl-aluminiumn

et AsH3, une couche épitaxiale ayant une densité de por-

3 3 15-3

teurs comprise entre 10 et 10 cm (type p) est formée dans le mode II, alors qu'une couche ayant une densité de

16 -3

porteurs comprise entre 10 et 10 cm (type p) est formée dans le mode I. Dans tous les cas ou tous les modes, l'épaisseur d'un film mince de Al Ga As formé dans un cycle unique x l-x d'introduction de gaz est comprise entre environ 1 et 10 A. Ainsi, la sélection convenable de la pression interne de l'enceinte 11, pendant la période d'introduction de chaque composé gazeux, et de la période d'introduction de chaque composé gazeux permet l'obtention facile d'une croissance épitaxiale d'un film mince de Al Ga As ayant l'épaisseur x 1-x correspondant à une seule monocouche, dans le cycle unique d'introduction de gaz. L'épaisseur d'une monocouche unique est d'environ 2,8 A dans le plan (100) et d'environ 3,3 A dans le plan (111). En outre, toute valeur de x se rapportant à Al, comprise entre 0 et 1 dans Al Ga As, peut aussi être x 1-x obtenue par sélection convenable de la pression interne de l'enceinte 11, pendant la période d'introduction de chaque

gaz, et de la période d'introduction du gaz.

La température utilisée pour la croissance cristal-

line est maintenue entre 300 et 500 C. Comme la redistri-

bution du profil d'impureté est supprimée à cause de la température de croissance relativement basse et en outre comme les possibilités de réglage de l'épaisseur du film mince formé sont excellentes, un profil abrupt d'impureté peut être obtenu dans un film mince multicouche comprenant

GaAs et Ai Ga As.

x l-x La figure 2 représente un profil, dans le sens de l'épaisseur, donnant le paramètre x dans la composition Ai Ga As, dans une structure multicouche GaAs/Al Ga As/ x 1-x x 1-x GaAs/AlxGa As/GaAs/Al Ga As... qui est fabriquée par x l-x x l-x utilisation d'un premier groupe de matières (TEG-AsH) et d'un autre groupe de matières (TEG-TEA-AsH). Le paramètre

x de la composition est mesuré par spectroscopie électro-

nique d'Auger. L'épaisseur de la couche de GaAs dans la structure multicouche est obtenue d'une manière analogue à

celle qui a été décrite par utilisation du groupe de ma-

tières (TEG-AsH3) et par répétition de 100 cycles d'intro-

duction en série de ces gaz. En outre, l'épaisseur de Al Ga As dans la structure multicouche est obtenue par x 1-x utilisation du groupe de matières (TEG-TEA-AsH3) et par répétition de 250 cycles d'introduction en série de ces gaz. Les conditions d'introduction des gaz sont déterminées afin qu'elles donnent une valeur de x comprise entre 0,36 et 0,37. Comme l'indique le graphique de la figure 2, une hétérojonction peut être formée entre GaAs et Al Ga As, x l-x

avec un profil abrupt d'impuretés.

La figure 3A est une coupe d'un condensateur métal-

isolant-semi-conducteur (MIS) fabriqué à titre d'essai par utilisation dugroupe de matières (TEG-TIBA-AsH3). Une 3- couche 16 de Ai Ga As est formée par croissance epita- x 1-x xiale à une temperature comprise entre 350 et 550 C, sur un substrat cristallin 15 de GaAs de type n dopé par Si

6 -3

* (3.10 cm). Une électrode 18 de Al est formée sur la couche 16 et une borne 19 lui est fixée. Une électrode 17 de AuGe est formée à la face inférieure du substrat 15 et une borne 20 y est fixée. L'épaisseur de la couche 16 de

Al Ga As est d'environ 700 A et le diamètre de l'élec-

x l-x

trode 18 de Al est de 500 fm.

La courbe caractéristique capacité-tension (C-V) du condensateur MIS est représentée sur la figure 3B. On note qu'une couche épitaxiale de grande pureté de Al Ga As x 1-x peut être obtenue. On note aussi que, selon l'invention, des cristaux de bonne qualité peuvent être formés par croissance à une plus faible température de croissance, par comparaison avec les procédés connus tels que MO-CVD ou MBE.

La figure 4A est un schéma d'un dispositif de fabri-

cation de couches épitaxiales de Al Ga As de type p et de x. 1-x type n, par dopage. L'un des composés gazeux contenant des éléments du groupe IV ou VI tels que le disilane (Si H), l'hydrure de sélénium (H2Se), le diméthyl-sélénium (DMSe) et diéthyl-tellure (DETe), est introduit à partir d'une

réserve externe par l'intermédiaire d'une unité 33 de ré-

glage de la quantité de composé gazeux introduite et d'une buse 31, dans une enceinte 11 de croissance cristalline. En outre, l'un des composés gazeux tels que le diméthyl-zinc (DMZn) et le dyméthyl-cadmium (DMCd) est introduit à partir d'une réserve externe par une unité 34 de réglage de la quantité de composé gazeux introduite et une buse 32, dans l'enceinte 11. La synchronisation de l'introduction des gaz par les buses 31 et 32 est commandée par le système 14

d'une manière analogue à celle qui a été décrite en réfé-

rence à la figure 1A. Les autes parties et fonctions sont les mêmes que sur la figure 1A, et on ne répète donc pas

leur description.

Une couche épitaxiale de Al Ga As de type n dopée x1-x par Si peut par exemple être formée par introduction de Si H et celle de Al Ga As de type p dopée par Zn peut 26 x 1-x

être formée par introduction de DMZn. Les modes d'introduc-

tion de gaz dans ces cas sont représentés sur la figure 4B.

On décrit maintenant ces modes dans les cas indiqués précé-

demment dans lesquels TEG est le composé gazeux contenant Ga et TIBA le composé gazeux contenant Al, à titre

d'exemple.

Dans un mode IV de la figure 4B dans lequel Si H 2. 6 est introduit, divers composés gazeux sont introduits dans l'ordre TIBA, TEG, Si H et AsH. Dans ce mode, un composé

26 3

gazeux contenant un élément du groupe III et un composé gazeux contenant un élément d'impureté qui doit occuper des sites des atomes du groupe III dans un cristal sont introduits en alternance. Ce mode est le plus efficace pour le dopage par Si2H6, et une couche de Al Ga As de type n 1619 2 6 x 1-x (1016 à 1019 cm-3) peut être fabriquée. Un autre mode V de

la figure 4B correspond au cas de l'introduction de DMZn.

Dans ce cas, le dopage le plus efficace est réalisé lorsque divers gaz sont introduits dans l'ordre DMZn, TIBA, TEG et AsH comme indiqué dans le mode V et une couche de AlxGalxAS de type p peut être fabriquée (1016 à

1020 cm-3).

Un composé gazeux contenant une impureté peut être introduit avant et après chaque introduction, dans l'ordre, d'un composé gazeux contenant un élément du groupe III, d'un tel composé contenant un élément du groupe III et B d'un tel composé contenant un élément du groupe V, ou, dans l'ordre V, III et III. Dans le cas d'une solution solide A -B III-V, les impuretés principales sont des éléments des

groupes II, IV et VI. Ces impuretés peuvent être intro-

duites dans l'ordre II, III A, IIIB, IV, V et VI.

La figure 5 représente une autre forme de dispositif de croissance cristalline destiné à irradier le substrat cristallin pendant la croissance. Le substrat 7 est irradié par des rayons ultraviolets 23 et 24 provenant de sources externes telles que des lasers à excimères, des lasers ioniques à argon, des lampes au xénon ou des lampes à mercure, et qui sont transmis par des fenêtres 21 et 22 de quartz de synthèse. En conséquence, la température de

croissance cristalline peut être réduite afin que le mono-

cristal formé ait une qualité élevée. Par exemple une couche épitaxiale de Al Ga As de pureté élevée ayant une x 1-x 14 -3 densité de porteurs d'environ 10 cm peut être obtenue à une faible température de croissance de 300 à 400 C par

utilisation d'un groupe de matières (TEG-TIBA-AsH3).

En outre, le rendement de dopage peut être réglé par synchronisation de l'irradiation assurée par la lumière de longueur d'onde particulière avec les périodes de dopage telles que les périodes d'introduction de Si H ou DMZn. De cette manière, deux types de lumières 23 et 24 ayant des longueurs d'onde différentes peuvent être disponibles dans les fenêtres 21 et 22 respectivement afin que le substrat 7

soit irradié.

La figure 6 représente un autre mode de réalisation

de dispositif de croissance de cristaux destiné à la fabri-

cation d'alliages quaternaires de composés des groupes III-

V en solution solide.

Le procédé de fabrication par exemple d'un alliage quarternaire In Ga As P de composés semi-conducteurs x 1-x y l-y

III-V est maintenant décrit. Dans ce procédé, un alkyl-

indium gazeux est introduit à partir d'une réserve externe par l'intermédiaire d'une unité de commande 44 qui règle la quantité d'alkylindium gazeux introduit et d'une buse 41, dans une enceinte 11. De manière analogue un alkyl-gallium gazeux est introduit par une unité 45 de commande et une buse 42 et AsH gazeux est introduit par une unité 46 de commande et une buse 43, dans l'enceinte 11. En outre, de la phosphamine gazeuse (PH) constituant un gaz d'impureté 3est introduite par une rserve externe, une unit 48 de est introduite par une reserve externe, une unité 48 de

commande et une buse 47 dans l'enceinte 11.

L'introduction en alternance de ces gaz sur un substrat cristallin 7 permet la croissance d'un film mince monocristallin de In Ga As P à une faible température x 1-x y i-y de 300 à 500 C avec conservation des possibilités de

réglage de l'épaisseur du film à quelques angstroems près.

Dans une variante, un film mince monocristallin de Zn Se Te peut aussi être formé par croissance à basse x l-x température de 300 à 500 C, d'une manière analogue à la

description qui précède, par remplacement de l'alkyl-

indium, de l'alkyl-gallium et de AsH par du diméthyl-zinc

(DMZn), de l'hydrure de sélénium (H2Se) et du diméthyl-

tellure (DMTe).

En outre, un film mince monocristallin de Hg Cd Te

x 1-x'-

peut aussi être formé par utilisation de diméthyl-mercure (DMHg), de diméthyl-cadmium (DMCd) et de diméthyl-tellure

(DMTe) à l'état gazeux.

La figure 7A représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention convenant à la fabrication d'une superstructure. Dans la superstructure représentée sur la figure 7A, une couche 70 de GaAs ayant une épaisseur d et

une couche de Al Ga As ayant une épaisseur d sont for-

x 1-x 2 mées successivement et en alternance. Selon l'invention,

les épaisseurs d et d peut être réglées avec une préci-

i 2 sion d'une monocouche. Ainsi, l'épaisseur minimale de la superstructure est celle d'une monocouche. De plus, les épaisseurs d et d peuvent être facilement réglées afin i 2 qu'un nombre arbitraire d'épaisseurs de monocouches puisse

être obtenu.

En outre, des superstructures telles que n-GaAs/n-

A1 Ga As et n-GaAs/p-Al Ga As peuvent aussi être réali-

x 1-x x i-x

sées avec un procédé de dopage tel que décrit précédemment.

La figure 7B représente la structure à bandes de la

superstructure n-GaAs/n-Al Ga As, comprenant une struc-

x i-x ture 72 à bandes de n-GaAs et une structure 73 à bandes de

n-Al Ga As. En outre, la figure 7C représente la struc-

a1-x

ure a bandes de la superstructure n-GaAs/p-Al Ga As com-

x i-x prenant une structure 72 à bandes de n-GaAs et une

structure 75 à bandes de p-Al Ga As.

x 1-x

Dans les procédés de fabrication de telles super-

structures, l'épaisseur de chaque couche formée peut être réglée d'une manière prédéterminée comme dans le mode de réalisation de la figure 7A. En outre, le dopage peut être réalisé de la même manière que sur les figures 4A et 4B pour Al Ga As, et comme décrit en référence à la figure x 1-x

4B sans Al pour GaAs.

En outre, une superstructure n-Al Ga As/p-

x l-x Al Ga As peut aussi être fabriquée par mise en oeuvre du x 1-x procédé illustré par les figures 4A et 4B. Des dopages alternés d'impuretés de type n et de type p, avec ou sans changement de la quantité de Al, monocouche par monocouche, peuvent aussi être réalisés. Evidemment, les épaisseurs de

n-Al Ga As et p-Al Ga As peuvent aussi être changées.-

x l-x x 1-x Des modes de réalisation de superstructures de type multiple sont représentés sur les figures 8A à 8C. Trois

superstructures sont représentées à titre d'exemples, cha-

cune d'elles comprenant une combinaison de trois types de

semi-conducteurs tels que InAs 80, AlSb 81 et GaSb 82.

Ainsi, la figure 8A représente une superstructure compre-

nant une structure périodique élémentaire 80, 81 et 82, la figure 8B représente une superstructure ayant une structure périodique élémentaire 80, 81, 80, 82, et la figure 8C représente une superstructure comprenant une structure périodique élémentaire 80, 82, 81 et 82. Les combinaisons,

les types de conduction des couches, la concentration d'im-

puretés de chaque couche et l'épaisseur des couches peuvent

être modifiés le cas échéant.

Comme la superstructure est formée monocouche par monocouche selon le procédé de l'invention, les défauts d'uniformité de la configuration atomique microscopique sont éliminés des solutions solides fabriquées si bien que la superstructure peut être réalisée avec une structure périodique formée par combinaison de solutions solides

idéales ayant un arrangement régulier, de précision ato-

mique. En outre, comme la croissance cristalline peut être effectuée à une faible température d'environ 300 C, une superstructure ayant un profil abrupt de concentration d'impuretés peut aussi être fabriqué à l'aide du dopage d'une impureté.

On se réfère maintenant à la figure 9 pour la des-

cription d'un procédé selon l'invention de fabrication d'un transistor à mobilité électronique élevée HEMT. Une couche 91 de GaAs non dopé ayant une épaisseur d'environ 200 monocouches est d'abord formée sur un substrat 90 de GaAs semi-isolant. Ensuite, une couche 93 de Al Ga As dopée x 1-x par Si (x = 0,3) ayant une épaisseur de 30 à 40 monocouches est formée. Des électrodes de source, de grille et de drain

sont alors formées. L'électrode 94 de source est une élec-

trode ohmique de AuGe/Au et l'électrode de grille 95 est

une électrode de Ti/Pt/Au. Au cours du procédé de fabrica-

tion selon l'invention, comme le défaut d'uniformité de la

configuration microscopique des atomes des solutions so-

lides peut être éliminé, la dispersion des électrons, qui peut apparaître à l'interface de la couche 93 de Al Ga As x 1-x de type n et de la couche 91 de GaAs non dopée, dans une couche 92 d'un gaz électronique bidimensionnel, est réduite au minimum si bien qu'un transistor très efficace peut être fabriqué. Evidemment, toutes valeurs voulues de l'épaisseur des couches, du coefficient x de la composition et des

concentrations d'impuretés peuvent être obtenues.

Un autre procédé de fabrication d'une diode utili-

sant l'effet tunnel à la résonance, selon l'invention, est

maintenant décrit en référence à la figure 10 qui repré-

sente une coupe d'une telle diode. Une couche 101 de GaAs-

+

n ayant une épaisseur de 100 monocouches et une concentra-

8 -3

tion d'impuretés d'environ 10 cm est d'abord formée sur + un substrat 100 de GaAs-n. Ensuite, une couche 102 de résistance élevée de Al Ga As ayant une épaisseur de 15 à x 1-x

20 monocouches, une couche 103 de GaAs-n ayant une épais-

seur de 15 à 20 monocouches et une concentration d'impure-

tés de 10 17 -3 une couche 104 de résistance élevée de tés de 10 cm, une couche 104 de résistance élevée de Ai Ga As ayant une épaisseur de 15 à 20 monocouches et x 1-x

une couche 105 de GaAs-n+ ayant une épaisseur de 100 mono-

18 -3

couches et une concentration d'impuretés de 10 cm, sont formées successivement. Enfin, un contact ohmique 106, par exemple de AuGe/Ni est formé à la face supérieure de la couche 105 et à la face inférieure du substrat 100. Un tel dispositif présente une résistance négative lorsqu'une tension continue est appliquée en sens normal ou inverse

entre 4 K et la température ambiante, si bien que le dispo-

sitif peut être utilisé comme oscillateur, comme mélangeur ou comme détecteur, dans les bandes des longueurs d'onde de

l'ordre du millimètre ou plus faibles.

Un autre procédé selon l'invention de fabrication d'un transistor dans lequel une structure à effet tunnel'à la résonance, telle que décrite précédemment, est placée

dans le canal d'un transistor à effet de champ, est mainte-

nant décrit en référence à la figure 11 qui est une coupe

schématique d'un tel transistor.

Sur la figure, les références identiques à-celles de la figure 10 désignent des éléments analogues et on ne les décrit pas à nouveau. Dans les canaux d'une région 110 de

drain et d'une région 111 de source, la densité des impure-

16 -3

tés peut avoir une valeur nominale inférieure à 10 cm environ afin que la vitesse des électrons ne puisse pas être affectée par la dispersion due au réseau dans ces régions. En outre, une électrode 112 de source et une électrode 113 de drain sont formées par Au-Ge/Ni/Au alors qu'une électrode 114 de grille est formée avec une grille de Schottky d'un élément tel que Al, Pt, Mo et Cr ou une

électrode ohmique, par exemple du type bien connu Au-

Ge/Ni/Au. L'épaisseur de la région 110 de drain et celle de la région 111 de source peuvent être déterminées de manière que l'épaisseur totale du côté du drain soit supérieure à celle du côté de la source afin que le dispositif puisse

supporter, entre la grille et le drain, une tension supé-

rieure à celle qui existe entre la source et la grille. En outre, lors du fonctionnement normal du transistor, l'épaisseur W de la région de drain peut être déterminée par considération, comme critère, de la fréquence f de c coupure. Ainsi, lorsque f est par exemple égale à 10 GHz, c 100 GHz, 1000 GHz (= 1 THZ) et 10 THz respectivement, W peut avoir une valeur d'environ 100 gm, 1 Nm, 1000 et

A respectivement.

En outre, lorsque l'effet du temps de transit de la grille au drain est utilisé, l'épaisseur de la région de drain peut être réalisée de manière qu'elle donne l'angle de transit 8 égal à 3t/2 lorsque la constante de temps entre la grille et la source est négligeable et lorsque l'injection doit être maximale pour une phase de nT/4, alors que celle de la région de drain peut être réalisée afLin qu'elle donne un angle de transit de n/2 à n lorsque la constante de temps entre la grille et la source n'est plus

négligeable et lorsque l'injection maximale doit être obte-

nue pour une phase comprise entre n/2 et n. Lorsque e = T, on obtient f = V /2W, V et W étant la vitesse des osc max s s

porteurs et l'épaisseur de la région de drain respective-

ment. Ainsi, lorsque f doit avoir des valeurs de osc max GHz, 1000 GHz (= 1 THz) ou 10 THz, W peut être choisie

avec une valeur de 0,5 Wm, 500 ou 50 A respectivement.

Evidemment, l'épaisseur des parties 102 à 104 donnant l'ef-

fet tunnel à la résonance est réduite de manière correspon-

dant à l'augmentation de f. La densité des impuretés dans c + les couches 101 et 105 de GaAs-n peut être réalisée de

18 -3

manière qu'elle dépasse 10 cm, alors que celle de la jonction à effet tunnel à la résonance peut être réalisée comme indiqué sur la figure 10 ou peut avoir une valeur prédéterminée. Il apparaît que le procédé de croissance cristalline selon l'invention peut aussi bien être utilisé pour la

fabrication de structures à films extrêmement minces, au-

tres que les modes de réalisation décrit précédemment en référence aux figures 7A à 11. En outre, les modes de réalisation ont été décrits précédemment en référence à

GaAs et Ai Ga As comme constituants des couches formées.

x 1-x Le procédé de l'invention peut cependant être appliqué à d'autres composés III-V et à leurs solutions solides, à des composés II-VI et à leurs solutions solides, et à des hétérojonctions formées entre des composés III-V et II-VI. Dans les modes de réalisation décrits en référence aux figures 7 à 11, bien que diverses superstructures et

hétérojonctions puissent être formées monocouche par mono-

couche, la température du substrat, la pression et les périodes d'introduction des composés gazeux contenant des éléments constituants et des éléments d'impuretés doivent

être réglées car elles constituent les paramètres du pro-

cédé. Bien qu'on n'ait décrit, en référence aux figures 1,

4, 5 et 6, le dispositif de réglage uniquement pour l'in-

troduction de divers gaz, un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel une structure à films extrêmement minces peut être réalisée automatiquement, est maintenant considéré. La figure 12A est un schéma d'un dispositif de croissance épitaxiale comprenant des éléments de réglage

destinés à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

Le dispositif comporte une enceinte 150 de crois-

sance cristalline, un robinet-vanne 151, un système 152

d'évacuation, un dispositif 153 de commande du robinet-

vanne 151, une jauge à vide 154, un support 155 de quartz destiné à supporter un substrat semi-conducteur 156, une lampe 158 de chauffage du substrat semi-conducteur 156 et

un boîtier 157 de lampe. La plupart de ces éléments corres-

pondent à des éléments représentés sur les figures 1A, 4A, et 6. La température de chauffage de la lampe 158 est

réglée par un ensemble 159 de réglage de température com-

prenant une alimentation et un thermostat par exemple. La

température du substrat 156 est observée avec un thermo-

mètre à rayonnement ou pyromètre 161, par l'intermédiaire d'une fenêtre 160. Un signal de sortie 162 du thermomètre est transmis, avec un signal de sortie 163 de contrôle de la température de chauffage de la lampe, à une unité 165 de réglage de température du substrat à partir de laquelle un signal 164 est transmis à l'unité 159. La pression interne de l'enceinte 150 est mesurée par la jauge à vide 154 et un signal 168 de sortie de la jauge à vide 154 est transmis à une unité 166 de commande du système d'évacuation 152. Un

signal de commande 167 provenant de l'unité 166 est trans-

mis au système 152 d'évacuation et au dispositif 153 de commande. Des composés gazeux 170, 171, 172, 173 et 174 contenant l'un des éléments constituants ou des éléments

d'impuretés, sont introduits par un robinet d'arrêt corres-

pondant 180, 181, 182, 183 et 184, une unité respective

, 191, 192, 193 et 194 de commande et une buse respec-

tive 200, 201, 202, 203 et 204, dans l'enceinte 150. Des

soupapes commandées manuellement ou des électrovanens peu-

vent constituer les soupapes 180 à 184. En outre, les unités de commande 190 à 194 règlent la pression et les

périodes d'introduction de chaque composé gazeux. Le procé-

dé de réglage de la pression et des périodes d'introduction de chacun des composés gazeux est décrit dans la suite plus précisément en référence à la figure 12B. Des signaux d'entrée destinés à la commande des unités 190 à 194 et des signaux de contrôle de sortie correspondants sont transmis par des lignes 210, 211, 212, 213 et 214 de signaux. Un

système de commande comprenant une unité centrale 220 d'or-

dinateur, terminal 221 de saisie, une mémoire 222, un

terminal 223 d'affichage d'images et un système d'exploita-

tion à imprimante de sortie, non représenté, est relié par un circuit 215 d'interface au groupe d'unités 190 à 194. A la suite d'un signal d'entrée de contrôle 233, l'ordinateur transmet un signal 232 de commande. En outre, à la suite d'un signal d'entrée de contrôle de vide 231, l'ordinateur transmet un signal 230 de commande.. Enfin, à la suite d'un

signal d'entrée de contrôle de température 235, l'ordina-

teur transmet un signal de commande 234.

La figure 12B est un schéma représentant une partie de l'unité de commande de gaz. Comme les diverses unités

à 194 ont un même fonctionnement, la description est

limitée à la seule introduction d'un composé gazeux. Ainsi, on considère le fonctionnement de l'unité 190 à titre

d'exemple.

L'introduction du composé gazeux 170 est réglée à l'aide d'une soupape d'arrêt 251 qui règle les périodes d'introduction et de non-introduction en fonction d'un

signal de commande transmis par l'ordinateur par l'intermé-

diaire de la ligne 210. La pression du composé gazeux 170 est réglée par un organe 252 de réglage de débit massique, en fonction d'un signal 257 de commande de sortie provenant d'un circuit 255 de commande de pression. Ce circuit 255 est un circuit électronique constituant une commande à réaction, mettant en oeuvre des transistors, des diodes Pt des circuits intégrés bien connus. Le circuit 235 crée le signal 257 de commande de sortie à la suite d'un signal 254 de sortie d'un manomètre 253 et d'un signal 256 de commande créé par l'ordinateur à la suite du signal 254 de sortie du

manomètre 253.

On se réfère maintenant à la figure 12C; elle représente un mode d'introduction de divers gaz avec un schéma de réglage de température qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre d'un procédé de croissance cristalline dans lequel des couches de GaAs de type n et de Al Ga As x lx de type p sont formées en alternance par croissance sur un substrat de GaAs de type n, monocouche par monocouche, à l'aide du système de commande décrit précédemment. Pendant une période t 5, une monocouche unique de GaAs de type n peut être formée par croissance à une température T et ensuite une monocouche unique de Al Ga As de type p peut x.l-x être formée pendant une période t51, a une température T.

Evidemment, une couche épitaxiale ayant une épais-

seur par exemple de 100 à 1000 moncouches peut aussi être formée. Dans ce cas, un programme en langage approprié peut

être transmis à l'ordinateur afin qu'il donne des instruc-

tions de réalisation d'une épaisseur de 100 ou 1000 mono-

couches. Ainsi, une structure à films extrêmement minces de

type voulu peut être formée. Comme la croissance cristal-

line d'une couche, par exemple ayant une épaisseur de deux

monocouches, peut être réalisée par réglage de ces condi-

tions, un tel procédé peut permettre une réduction du temps

de croissance.

En outre, l'utilisation du programme illustré par la

figure 12C, comme signal d'entrée de contrôle d'un affi-

chage sur tube à rayons cathodiques, constituant le termi-

nal 223 donnant une image, permet un contrôle visuel. En outre, des dispositifs à mémoire, par exemple à disque souple, à magnétophone à cassette ou à disque dur peuvent être utilisés comme mémoire 222 pour l'enregistrement et la restitution du programme du procédé de fabrication de 'la

structure à films extrêmement minces.

En outre, une croissance cristalline consécutive

peut être réalisée par utilisation d'un dispositif automa-

tique de transport destiné à commander les opérations d'in-

troduction et d'extraction du substrat dans l'enceinte et hors de celleci. Ainsi, la production en grande série de couches ayant des films extrêmement minces et ayant des structures différentes, peut être exécutée à l'aide d'un

programme de commande tel que décrit précédemment, en com-

binaison avec un programme de commande du dispositif auto-

matique de transport.

De plus, comme la croissance par monocouches peut être réalisée d'une façon simple à l'aide d'un simple manomètre et d'un système de commande de l'introduction du gaz et de la température du substrat, des tranches de qualité élevée, ayant des couches épitaxiales extrêmement minces, peuvent être facilement fabriquées, contrairement

au procédé MBE.

Dans l'ordinateur de la figure 12A, un seul terminal

de saisie est représenté. Cependant, un système d'exploita-

tion du type multitâches ou multipostes, comprenant plusieurs terminaux d'entrée de l'ordinateur, peut être utilisé pour la commande de la croissance cristalline avec

26 -

programmation d'autres nouveaux.programmes de croissance cristalline. Un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'irradiation du substrat par de la lumière pendant la croissance cristalline, telle que représentée sur la figure 5, est réalisée automatiquement, est maintenant décrit. On se réfère maintenant à la figure 13A pour la

description en particulier des parties relatives à l'irra-

diation et qui ne sont pas représentées sur la figure 12A.

Des rayons ultraviolets 280 et 281 provenant de sources convenables 273 et 276 telles que des lampes à vapeurs de mercure, des lasers à excimères et des lasers ioniques à argon, sont introduits par l'intermédiaire d'obturateurs

271 et 275 et de fenêtres 270 et 274 vers un substrat 15.

Les obturateurs 271 et 275 sont commandés par des signaux

293 et 294 de commande transmis par un circuit 292 d'inter-

face. La figure 13B illustre un procédé d'irradiation par

de la lumière 1 et de la lumière 2, accompagnant le proces-

sus de croissance cristalline illustré par la figure 12C.

L'irradiation par la lumière 1 se poursuit avant le début

de l'introduction du composé gazeux contenant As et l'irra-

diation par la lumière 2 suit. L'irradiation par la lumière

2 se poursuit avant introduction de DMZn gazeux. Les lon-

gueurs d'onde de la lumière 1 et de la lumière 2 peuvent être choisies afin que la réaction en surface soit activée pendant l'irradiation. Dans un cas particulier, les lumières 1 et 2 peuvent avoir une même longueur d'onde mais des intensités différentes. En outre, la lumière des rayons ultraviolets 280 et 281 peut avoir toute une gamme de longueurs d'onde. De plus, deux types au moins de lumières ayant des longueurs d'onde différentes peuvent remplacer les rayons ultraviolets 280 et 281 afin que le substrat

soit irradié avec de la lumière de types différents corres- pondant aux périodes d'introduction ou de non-introduction

d'un type différent de gaz afin que la croissance cristal-

line puisse être plus efficace.

Lorsqu'une source lumineuse ayant une large gamme de

longueurs d'onde, par exemple une lampe à vapeurs de mer-

cure, est utilisée, l'irradiation du substrat semi-conduc-

teur par une source lumineuse mais avec deux types de lumière ayant des plages différentes de longueurs d'onde, peut être réalisée par utilisation d'un obturateur et d'un filtre.

Bien qu'on ait indiqué l'exemple de solutions so-

lides d'éléments des groupes III-V, l'invention s'applique

aussi évidemment à des composés semi-conducteurs en solu-

tion solide d'éléments des groupes II-VI, contenant quatre

éléments, ou à des hétérojonctions formées entre des solu-

tions solides III-V et des solutions solides II-VI, par simple disposition supplémentaire d'un plus grand nombre

d'unités d'introduction de gaz dans les modes de réalisa-

tion des figures 12A et 13A, le cas échéant.

Selon l'invention, la croissance cristalline de solutions solides ayant une structure à films extrêmement minces, avec dopage par des impuretés, peut être réalisée

avec une précision d'une monocouche, alors que cette opéra-

tion a été difficile avec la technique antérieure. Dans une telle technique antérieure, par exemple dans le procédé MBE, on doit utiliser un dispositif complexe et coûteux de réglage, par exemple un dispositif RHEED pour le réglage de

* l'épaisseur de minces couches cristallines avec une préci-

sion élevée. Contrairement à la technique antérieure, le procédé de l'invention, tel que décrit précédemment, peut être automatisé de manière simple, par utilisation d'un dispositif peu coûteux de réglage de la pression des gaz, de l'introduction des gaz, de la température du substrat et de l'irradiation lumineuse. Ainsi, le procédé de croissance cristalline selon l'invention convient à la production en grande série de structures à films extrêmement minces, avec

une grande précision et d'une manière industrielle.

Ainsi, selon le procédé de l'invention, divers dis-

positifs, par exemple des dispositifs à hétérojonction, des

dispositifs à structure HEMT, des dispositifs à superstruc-

tures, des dispositifs à deux ou trois bornes, des disposi-

tifs à résistance négative mettant en oeuvre l'effet du temps de transit, des dispositifs à injection à effet tunnel, des dispositifs de détection optique ou photoémis-

sive, et des lasers à semi-conducteurs peuvent être fabri-

qués.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Procédé de croissance épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un film mince

monocristallin d'un composé semi-conducteur A B C conte-

x l-x nant trois éléments constituants A, B et C, deux de ces éléments étant des éléments du même groupe, procédé qui comprend l'introduction d'un composé gazeux contenant l'un des éléments constituants du composé semi-conducteur, dans une enceinte (11) de croissance cristalline, à une pression

prédéterminée et pendant une période prédéterminée, l'in-

troduction d'un composé gazeux contenant un autre élément constituant du composé semi-conducteur, dans l'enceinte

(11) de croissance cristalline, sous une pression prédéter-

minée et pendant une période prédéterminée, l'introduction

d'un composé gazeux contenant encore un autre élément cons-

tituant du composé semi-conducteur, dans l'enceinte (11) de croissance cristalline, à une pression prédéterminée et pendant une période prédéterminée, et la répétition d'une

séquence des étapes précédentes.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des trois éléments est un élément du groupe III ou du groupe V.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des trois éléments est un élément du groupe

II ou du groupe VI.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois éléments A, B et C sont respectivement Al, Ga et As, et un composé gazeux contenant Al, un composé gazeux contenant Ga et un composé gazeux contenant As sont introduits successivement, dans cet ordre, dans l'enceinte

de croissance cristalline (11).

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois éléments A, B et C sont respectivement Ga, Al et As, et du triéthylgallium gazeux est utilisé comme

composé gazeux contenant Ga, alors que du triéthyl-alumi-

nium gazeux ou du triisobutyl-aluminium gazeux est utilisé

comme composé gazeux contenant Al, la croissance cristal-

line étant réalisée dans l'ordre Ga, Al et As.

6. Procédé de croissance épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un monocristal

d'un composé semi-conducteur dopé par un élément d'impure-

té, caractérisé en ce qu'un composé gazeux III contenant A

un élément du groupe III formant l'un des éléments consti-

tuants du composé semi-conducteur, un composé gazeux III B contenant un autre élément du groupe III formant un autre élément constituant du composé semi-conducteur, un composé gazeux V contenant un élément du groupe V, formant encore C un autre élément constituant du composé semiconducteur, et un composé gazeux ou gaz de dopge contenant l'élément d'impureté du composé semi-conducteur sont introduits

successivement dans une enceinte (11) de croissance cris-

talline, dans cet ordre ou dans l'ordre V, III, III et

C A B

le gaz de dopage.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux éléments du groupe III et l'élément du groupe V sont Ga, Al et As respectivement, et l'élément d'impureté contenu dans le gaz de dopage est un élément du

groupe II, IV ou VI.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en

ce que le gaz de dopage est le disilane (Si2H6), le dimé-

thyl-zinc, le diméthyl-cadmium, le triméthyl-gallium, l'hy-

drure de sélénium (H Se), le diéthyl-sélénium ou le diéthyl-tellure.

9. Procédé de croissance épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un monocristal

d'un composé semi-conducteur dopé par une impureté et con-

tenant deux éléments du groupe III et un élément du groupe V comme éléments constituants, et un élément du groupe II, un élément du groupe IV et un élément du groupe VI comme

éléments d'impuretés, caractérisé en ce qu'un composé ga-

zeux III contenant l'un des deux éléments du groupe III, A. un composé gazeux III contenant l'autre des deux éléments B du groupe III, un composé gazeux V contenant l'élément du C groupe V, un composé gazeux II contenant l'élément du B groupe II, un composé gazeux IV contenant l'élément du E groupe IV et un composé gazeux VI contenant l'élément du F

groupe VI sont introduits dans une enceinte (11) de crois-

sance cristalline dans l'ordre II, III, III, IV, V et VI, successivement.

10. Procédé de croissance épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un monocristal d'un composé semi-conducteur en solution solide ou formant

un alliage quaternaire, contenant quatre éléments consti-

tuants tels que deux éléments du groupe III et deux élé-

ments du groupe V, caractérisé en ce qu'un composé gazeux III contenant un premier élément des deux éléments du A groupe III, un composé gazeux III contenant un autre B élément des deux éléments du groupe III, un composé gazeux V contenant un élément des deux éléments du groupe V, et C un composé gazeux V contenant l'autre élément des deux D éléments du groupe V, sont introduits dans l'enceinte (11)

de croissance cristalline, dans cet ordre.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les composés gazeux III, III, V et V sont

A B C D

respectivement un alkyl-indium, un alkyl-gallium, l'arsine

(AsH3) et la phosphamine (PH).

12. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 11, caractérisé en ce que le substrat cristallin est irradié par des rayons ultraviolets (23, 24) pendant la

croissance cristalline.

13. Procédé de croissance épitaxiale destiné à la formation, sur un substrat cristallin, d'un monocristal

d'un composé semi-conducteur contenant trois éléments cons-

tituants, deux éléments parmi eux étant des éléments du même groupe mais un autre étant un élément d'un groupe différent, caractérisé en ce que trois types de composés gazeux contenant chacun un élément différent des trois éléments constituants, sont introduits successivement dans une enceinte (11) de croissance cristalline, à une pression prédéterminée, pendant une période prédéterminée, et une telle introduction en série, suivant un certain ordre, des trois types de composés gazeux est répétée afin qu'une

structure multicouche à films minces, constituant une solu-

tion solide de deux éléments de groupes différents et une

solution solide des trois éléments constituants, soit for-

mée.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les solutions solides de deux éléments de groupes

différents et des trois éléments constituant sont des solu-

tions solides d'éléments des groupes II-IV.

15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les deux éléments de groupes différents sont Ga et As alors que les trois éléments constituants sont Ga, Al

et As.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que du triéthylaluminium ou du triisobutyl-aluminium est utilisé comme l'un des trois types de composés gazeux contenant Al, alors que du triéthyl-gallium est utilisé

comme l'un des trois types de composés gazeux contenant Ga.

17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que les impuretés utilisées sont le disilane (Si2H6), le triméthyl-gallium, l'hydrure de sélénium (H Se), le diéthyl-sélénium, le diéthyl-tellure, le diméthyl-cadmium

ou le diméthyl-zinc.