FR2616272A1 - Dispositif en materiaux semiconducteurs realise sur un substrat de parametre de maille different, application a un laser et procede de realisation - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif tel qu'un composant C en matériau semiconducteur réalisé sur un substrat 1 de paramètre de maille différent. Le substrat 1 est recouvert d'une couche 2 en silicium amorphe recouverte elle-même d'un super-réseau d'adaptation 3 sur lequel est réalisé le composant C. L'invention est plus particulièrement applicable à un composant réalisé sur diamant.

Description

DISPOSITIF EN MATERIAUX SEMICONDUCTEURS
REALISE SUR UN SUBSTRAT DE PARAMETRE
DE MAILLE DIFFERENT, APPLICATION A UN LASER
ET PROCEDE DE REALISATION '
L'invention concerne un dispositif en matériaux semiconducteurs réalisé sur un substrat de paramètre différent
de celui des matériaux semiconducteurs du dispositif.
L'étude des propriétés thermiques du diamant fait apparai-
tre que d'une part la conductivité thermique est 2 fois supé- rieure à celle du cuivre et que d'autre part, le coefficient de dilatation thermique est 5 fois moins important que celui du cuivre. Cela apparait clairement dans le.tableau ci-dessous ou Ies caractéristiques du diamant, du nitrure de borate T-CBN
(Transparent Cubic Borate Nitrure) et du cuivre sont comparées.
conductivité dilatation resistivité constante thermique thermique diélectrique j I RT 140 C RT 400 C JL /cm à 1MHz diamant 9 5 2.3x10-6/C 1016 5.7 T-CBN 6.0 6.5 3.7x10'6/C > 1011 6.5 Cu 3.9 3.9 17.0x10-6/C 25. On a récemment réussi à fabriquer du diamant dopé au Bore. Lorsque la quantité de Bore est supérieure à 100 ppm, le diamant devient conducteur et pour une quantité inférieure à 100
ppm, il devient semiconducteur.
A l'heure actuelle, on utilise- le diamant synthétique
comme support pour les composants optoélectroniques.
Cependant l'utilisation du diamant ou du nitrure de- bo-
rate T-CBN pour implanter des composants à semiconducteurs n'était pas pensable, le problème à résoudre étant un problème
de désadaptation de mailles.
L'invention consiste à utiliser le diamant isolant ou
semiconducteur comme un substrat et fabriquer les circuits inté-
grés en utilisant les implantations ioniques, tel que l'on pro-
cède actuellement sur le substrat Si.
D'autre part, l'invention consiste à utiliser le diamant
semi-isolant ou conducteur comme substrat, à épitaxier directe-
ment les matériaux semiconducteurs III-V ou II-VI (hétérojonction, superréseaux) afin de fabriquer les composants optoélectroniques tels que laser, photodiode, photocathode, cellule solaire... et les composants hyperfréquences tels que
diode GUNN, diode IMPATT, transistor FET.
L'invention concerne donc un dispositif en matériaux semiconducteurs caractérisé en ce qu'il comporte - un substrat en diamant; - au moins une couche de silicium amorphe déposée sur une face du substrat;
- une série de couches de composés semiconducteurs for-
mant un super-réseau d'adaptation déposées sur la couche de
silicium amorphe et dont les couches les plus proches de la cou-
che de silicium amorphe ont un premier paramètre de maille adap-
té à celui de la couche de silicium amorphe et dont les couches les plus éloignées ont un deuxième paramètre de maille - un composant en matériau semiconducteur dont au moins la couche la plus proche du super-réseau à un paramètre de
maille adapté à celui du deuxième paramètre de maille.
L'invention. concerne également un procédé de réalisation
d'un- dispositif selon l'une quelconques des revendications précé-
dentes caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - une première étape de réalisation par épitaxie à basse température d'une couche de silicium amorphe sur le substrat
- une deuxième étape de chauffage facilitant la distribu-
tion des nucléations; -une troisième étape de réalisation par épitaxie. d'une couche d'adaptation sur la couche de silicium amorphe - une quatrième étape de réalisation par épltaxie d'un
composant en matériau semiconducteur.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention
apparaîtront de façon plus détaillée dans la description qui va
suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures an-
nexées qui représente -la figure 1, un exemple de réalisation d'un dispositif - selon l'invention - la figure 2, un exemple de réalisation d'un laser semiconducteurs selon l'invention; -la figure 3, un exemple de réalisation d'une structure laser à réseau distribué (DFB) - la figure 4, un exemple de réalisation d'un laser de - puissance à réseau distribué la figure 5, un exemple de réalisation d'un laser à
réseau distribué comportant un miroir de renvoi.
Le diamant possède d'excellentes propriétés d'isolation
électrique et de conduction thermique.
En dopant le diamant avec du bore avec un dopage infé-
rieur à 100 ppm on obtient un matériau semiconducteur de type p. En réalisant un dopage du diamant avec du bore supérieur à
ppm, le diamant devient conducteur.
L'invention prévoit donc de 'mettre à profit les qualités de bonne conduction thermique du diamant pour l'utiliser comme
substrat dans la réalisation de composants à semiconducteurs.
Cependant l'implantation de matériaux à semiconducteurs sur le diamant pose des problèmes de désadaptation dus aux paramètres
de mailles différents.
Pour résoudre ces problèmes l'invention prévoit comme cela est représenté en figure 1 de réaliser sur le diamant 1 une couche 2 de silicium amorphe. Cette couche de silicium amorphe a
sensiblement un même paramètre de maille que le diamant et faci-
lite la nucléation.
On procède ensuite à un échauffement à une température
telle que 500 ou 600 C, par exemple, pour avoir une distribu-
tion des nucléations sur le diamant.
Cette couche de silicium peut être réalisée par épitaxie
à très basse température, 300 C par exemple.
Sur la couche de silicium 2 est réalisé une couche d'adaptation telle que cette couche d'adaptation soit adaptée en paramètre de maille avec la couche de silicium et qu'une couche d'un matériau semiconducteur d'un composant C soit adaptée en
paramètre de maille sur cette couche d'adaptation.
Cette couche d'adaptation est réalisée sous forme d'un super-réseau. A titre d'exemple, la couche de silicium amorphe peut
faire environ 100 Angstroems d'épaisseur.
Sur la figure 2, le composant réalisé est un laser à semiconducteurs constitué d'une première couche de confinement 4 dopée n, d'une couche active 5, d'une deuxième couche de
confinement 6 dopée p et d'une couche de contact 7.
Le laser représenté est réalisé en matériau III-V de la classification périodique des éléments. A titre d'exemple, les couches de confinement sont en phosphure d'Indium InP et la
couche active en phosphure d'arsenic, d'indium et de gallium.
Pour réaliser l'adaptation en mailles de ce laser, le
super-réseau 3 est constitué de couches alternativement de cou-
ches différentes de telle façon que le paramètre de maille de la partie du super-réseau en contact avec la couche de silicium 2 à sensiblement le même paramètre de maille que le silicium tandis que la partie du superréseau en contact avec la première couche de confinement 4 a sensiblement le même paramètre de
maille que cette couche de confinement.
Le super-réseau est ainsi réalisé en matériau de typè' III-V et à titre d'exemple il est réalisé de couches GaAs et
GaInP ou de couches de GaAs et GaInAs.
Tandis que la couche de silicium 2 a environ une épais-
seur de 100 Angstroems, chaque couche du super-réseau 3 a une épaisseur d'environ 50 Angstroems. L'ensemble du super-réseau
a une épaisseur de sensiblement 2000 Angstroems.
Le laser réalisé sur le super-réseau 3 peut également être réalisé en matériau semiconducteur de type II-VI et le super-réseau 3 est alors également réalisé en matériau
semiconducteur de type II-VI.
Dans ce qui précède on a décrit des exemples de réalisa-
tion dans lesquels le substrat est du diamant. L'invention est également applicable à un dispositif dans lequel le substrat est un matériau du type T-CBN (Transparent Cubic Niobate Borate
Nitrure). Un tel substrat reçoit une couche 2 de silicium amor-
phe. Un composant est ensuite réalisé sur la couche 2 de
silicium amorphe comme, cela a été décrit précédemment. Notam-
ment, on prévoit également un super-réseau d'adaptation 3.
Les matériaux semiconducteurs utilisés et les épaisseurs des différentes couches sont tels que décrits précédemment. De même, la réalisation des différentes couches peut se faire comme
précédemment.
La présente invention concerne également un dispositif semiconducteur photo-émetteur de type laser de puissance élevée
(1 à 10 W) à guidage par l'indice, et utilisant un réseau distri-
bué DFB (Distributed Feedback). Ces dispositifs suscitent, depuis quelques années un grand intérêt car ils fonctionnent pour une valeur de puissance considérablement élevée (1 à 10
W). Ils permettent notamment la réalisation de lasers de puis-
sance monomodes fonctionnant à 0.8 pin, 1.3 pIn ou 1.55 pi. On
trouvera une description d'un laser du type laser DFB dans
l'article "Low-Threshold Distributed Feedback Lasers Fabricated on Material Grown Completely by LP-MOCVD" de M. RAZEGHI et al publié dans IEEE Journal of Quantum Electronics, Volumes
QE-21, numéro 6 de juin 1985.
L'intérêt de la présente invention par rapport aux autres structures de lasers semiconducteur de puissance est que, la conductivité thermique du diamant est 2 fois plus importante que
celle du cuivre.
On peut utiliser ces dispositifs d'une part pour rempla-
cer les lasers à gaz et d'autre part pour pomper les lasers YAG.
La figure 3 représente une telle structure laser. On retrouve, sur cette figure: - le substrat 1; - la couche de silicium amorphe 2 - le superréseau d'adaptation 3 - la couche de confinement 4
- la couche active 5.
En supplément, la couche active 5 est recouverte d'une couche de guidage 8 réalisée sous forme d'un réseau distribué
permettant d'obtenir l'effet laser.
La couche de guidage 8 est recouverte de la couche de
confinement 6 et de la couche de contact 7.
La figure 4, représente un laser de puissance appliquant
la structure de la figure 3.
Sur cette figure, on retrouve les mêmes couches que celles de la figure 3. En supplément, dans 'la couche active 3 et
la couche de guidage 8 ont été gravés des rubans parallèles 9.
La gravure des rubans 9 a été faite de telle façon que leur direction soit perpendiculaire à la direction des sillons du
réseau distribué permettant d'obtenir l'effet laser. Ces diffé-
rents rubans émettent des faisceaux en phase (phase locked).
A titre d'exemple, chaque ruban a une largeur de 1 micro-
mètre et la distance entre deux rubans est de deux A trois micro-
mètres.
La figure 5, représente un laser, tel que décrit précédem-
ment, comportant dans le substrat 1, A une extrémité du laser, un plan incliné 11, par exemple à 45 , par rapport au plan d'émission du laser. Ce plan incliné 11 est réfléchissant ce qui
permet de diriger aisément le faisceau laser émis vers des dispo-
sitifs utilisateurs non représentés.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrica-
tion d'au moins un dispositif semiconducteur de type laser A double hétérojonction et A guidage par l'indice, A puissance élevée et monomode (DBF). Le dispositif étant réalisé A partir
d'un substrat diamant dopé Bore. Il 'comporte les étapes suivan-
tes - une première étape de dépôt de couches épitaxiales sur le dit substrat diamant 1, comprenant successivement - a) une couche de siliclum amorphe 2; - b) une série de super-réseaux 3 A base des matériaux semiconducteurs III-V pour éliminer les dislocations dues aux désadaptations de maille cristalline entre le substrat diamant et le semiconducteur III-V utilisé pour la fabrication du laser; - c) une première couche de confinement 4 dopé n, une couche active 5, une couche guide d'onde 8 - une seconde étape consistant en l'élaboration d'un réseau de Bragg par holographie et gravure chimique dans la couche guide d'onde 8
- une troisième étape constituée par élaboration de ru-
bans 9
- une quatrième étape constituée par épitaxle de la cou-
che de confinement 6 dopée et de la couche contact 7 - une cinquième étape comprenant le dépôt de contacts
métalliques sur la couche de contact et sur la face du substrat.
Le procédé qui précède peut être suivi par une gravure à
une extrémité du laser obtenu d'un plan réfléchissant 11 incli-
né, à 45 , par exemple, par rapport au plan d'émission du laser.
Il est à noter que les différents dépôts précédants peu-
vent être faits par épitaxle de couches monoatomiques.
Il est bien évident que la description qui précède n'a
été faite qu'à titre d'exemple non limitatif. Les exemples numé-
riques, notamment, et les types de matériaux utilisables n'ont
été indiquées que pour illustrer la description. D'autres varian-
tes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (16)

REVENDICATION'
1. Dispositif en matériaux semiconducteurs caractérisé en ce qu'il comporte: - un substrat (1) en diamant -au moins une couche de silicium amorphe (2) déposée sur une face du substrat;
- une série de couches de composés semiconducteurs for-
mant un super-réseau (3) d'adaptation déposées sur la couche de silicium amorphe (2) et dont les couches les plus proches de la couche de silicium amorphe (2) ont un premier paramètre de maille adapté à celui de la couche de silicium amorphe (2) et dont les couches les plus éloignées ont un deuxième paramètre de maille; - un composant en matériau semiconducteur (C) dont au
moins la couche la plus proche du super-réseau (3) à -un paramè-
tre de maille adapté à celui du deuxième paramètre de maille.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce
que le substrat (1) en diamant est dopé avec du bore.
3. Dispositif en matériaux semiconducteurs,. caractérisé en ce qu'il comporte: - un substrat (1) en nitrure de bore cubique transparent
(T-C BN);
-au moins une couche de silicium amorphe (2) déposée sur une face du substrat
-une série de couches de composés semiconducteurs for-
mant un super-réseau (3) d'adaptation déposées sur la couche de silicium amorphe (2) et dont les couches les plus proches de la couche de silicium amorphe (2) ont un premier paramètre de maille adapté à celui de la couche de silicium amorphe (2) et dont les couches les plus éloignées ont un deuxième paramètre de maille - un composant en matériau semiconducteur (C) dont au
moins la couche la plus proche du super-réseau (3) à un paramè-
tre de maille adapté à celui du deuxième paramètre de maille.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 3, dans
lequel le super-réseau (3) comporte une alternance de couches
de types différents dont les compositions varient entre la cou-
che de silicium amorphe (2) et le composant (C) de façon à réali-
ser l'adaptation de mailles, caractérisé en ce que -l'un des
types de couches est en phosphore d'indium (InP).
5. Dispositif selon l'une des revendication i ou 3, carac-
térisé en ce que le composant (C) est une diode laser comportant sur le super-réseau (3), une première couche de confinement (4), une couche active (5), une deuxième couche de confinement
(6), et une couche de contact (7).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première couche de confinement (4) est en phosphure d'indium dopé n, la couche active est en matériau de composés
III-V réalisant un puit quantique, la deuxième couche de confine-
ment (5) est en phosphure d'indium dopé p.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche active (5) est une succession de couches monoatomiques d'arséniure d'indium (InAs) et d'antimoniure
d'indium (InSb).
8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche active (5) est un super-réseau
d'arséniure d'indium(InAs) et d'antimoniure de Gallium (GaSb).
9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche active 5 est un super-réseau d'arséniure d'indium
(InAs) et d'antimoniure d'indium (InSb).
10. Laser appliquant l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce quf'il comporte entre la couche active (5) et la deuxième couche de confinement (6) une couche de guidage (8) réalisée sous forme d'un réseau distribué et que plusieurs bandes d'émission laser (9) parallèles entre elles sont réalisées dans la couche active (5) et la couche de guidage (8), la direction de ces bandes étant perpendiculaires à la
direction des gravures du réseau.
11. Laser selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte à une extrémité du laser, un plan réfléchissant Incliné par rapport au plan d'émission du laser.
12. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une
quelconques des revendications précédentes caractérisé en ce
qu'il comporte les étapes suivantes: - une première étape de réalisation par épitaxie à basse température d'une couche de silicium amorphe (2) sur le substrat
- une deuxième étape de chauffage facilitant la distribu-
tion des nucléations - une troisième étape de réalisation par épitaxie d'une couche d'adaptation (3) sur la couche de silicium amorphe (2); - une quatrième étape de réalisation par épitaxie d'un
composant en matériau semiconducteur.( ).
13. Procédé de réalisation selon la revendication 10,
caractérisé en ce que les épitaxies sont des épitaxies de cou-
ches monoatomiques.
14. Procédé de réalisation selon la revendication 12, caractérisé en ce que la quatrième étape de réalisation comporte les phases suivantes: - une première phase de réalisation de la première couche de confinement (4) dopé n; - une deuxième phase de réalisation de la couche active (5); - une troisième phase de réalisation d'une couche de guidage (8); - une quatrième phase de gravure d'un réseau distribué dans la couche de guidage (8);
- une cinquième phase de réalisation de la deuxième cou-
che de confinement (6);
- une sixième phase de réalisation d'une couche de con-.
tact (7)
- une septième phase de réalisation de contacts métalli-
ques.
15. Procédé de réalisation selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la quatrième phase et la cinquième phase, un phase de gravure de rubans déterminant
chacun un laser.
16. Procédé de réalisation selon la revendication 14,
caractérisé en ce qu'il comporte une huitième phase de réalisa-
tion par gravure d'un plan réfléchissant (10) incliné situé à une extrémité d'émission du laser et incliné par rapport au plan
d'émission du laser.
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