FR2725834A1 - Dispositif optoelectronique a semiconducteurs iii-v - Google Patents

Abstract

L'invention concerne la fabrication de dispositifs utilisant des semiconducteurs III-V. Dans un procédé conforme à l'invention, on dépose une pellicule de SiNx (6) sur une tranche comprenant un substrat (1) et diverses couches de semiconducteurs III-V (2, 3, 4) et on ouvre une fenêtre dans cette pellicule. La pellicule de SiNx est utilisée tout d'abord à titre de source de diffusion de Si, puis à titre de masque pour la diffusion de Zn et enfin à titre d'isolant pour la formation d'un contact ohmique (9). Application à l'optoélectronique.

Description

L'invention concerne un procédé nouveau et simplifié pour fabriquer des dispositifs à semiconducteurs III-V, en particulier des dispositifs optoélectroniques tels que des diodes laser, des diodes électroluminescentes (DEL), des amplificateurs de lumière, des détecteurs optiques et des modulateurs optiques. Les dispositifs sont fabriqués à partir d'une tranche de semiconducteur comprenant un certain nombre de couches de semiconducteur III-V ayant différentes caractéristiques d'épaisseur, de dopage et/ou composition d'alliage, que l'on a fait croître sur un substrat semiconducteur.On agit sur les caractéristiques de bande interdite et/ou de dopage dans des régions sélectionnées, par le phénomène physique d'introduction de désordre par l'action d'impuretés (ou IID pour "impurity induced disordering"), de façon à créer les régions désirées de confinement de porteurs, optique et/ou de courant.

Les lasers à semiconducteurs et les dispositifs associés, tels que les diodes laser, les DEL, les amplificateurs de lumière, les détecteurs optiques, les modulateurs optiques, etc., ont joué un rôle vital dans le progrès des télecommunications, entre autres domaines de la technologie. La figure 1 représente la structure fondamentale concernant les matériaux d'un laser à semiconducteurs. Cette structure est formée à partir d'au moins deux matériaux différents, et elle constitue ce que l'on appelle dans la technique une hétérostructure. L'utilisation d'une telle structure pour réaliser un laser est expliquée ci-dessous. La couche active 3 est intercalée entre deux couches de gaine 2 et 4 qui sont de conductivité opposée.Pour l'explication, nous supposerons que la couche de gaine supérieure 4 est dopée de façon à être un semiconducteur de type p, et que la couche de gaine inférieure 2 est dopée de façon à être du type n. La couche active est faiblement dopée avec le type n, c'est-à-dire dopée avec le type n , ou dopée de façon non intentionnelle, tandis que la couche de contact 5 est représentée comme étant de type p , c'est-à-dire fortement dopée avec le type p. Enfin, le substrat 4 est représentée comme étant de type n , c'est-à-dire fortement dopé avec le type n. Les couches de gaine 2 et 4 sont choisies de façon à consister en un matériau ayant une bande interdite notablement plus large que celle de la couche active.La figure 2 montre le diagramme de bandes d'énergie d'une telle structure autour de la couche active, et cette structure à semiconducteurs p-n -n constitue une double hétérostructure (DH), du fait qu'elle comporte deux hétérojonctions. L'alignement des niveaux de Fermi E f de part et d'autre des jonctions entraîne des discontinuités dans les énergies de la bande de conduction, Ec, et de la bande de valence, Ev, comme représenté. Ces discontinuités se produisent dans les régions de désertion des jonctions, entre les couches active et de gaine.Les avantages d'une telle structure comprennent le fait que l'énergie de photons qui est libérée par recombinaison dans la couche active traverse les couches de gaine sans absorption, du fait que la bande interdite des couches de gaine est supérieure à celle de la couche active. Par conséquent, les couches de gaine sont fondamentalement transparentes pour la lumière qui est émise par la couche active. De plus, grace aux discontinuités dans les niveaux des bandes d'énergie, E c et Ev, il y a une grande barrière pour le passage d'électrons d jxi trous vers l'extérieur, de la couche active vers les couches de gaine, d'où le terme de confinement de porteurs.Ainsi, la conception d'une telle structure avec une couche active ayant une bande interdite notablement inférieure à celle des couches entre lesquelles elle est intercalée, conduit à une structure qui permet la réalisation d'une variété de dispositifs. En particulier, grâce à la double hétérostructure, on peut former un laser. La couche active a non seulement une bande interdite relativement étroite, mais également un indice de réfraction supérieur à celui des couches extérieures entre lesquelles elle est intercalée. Par conse- quent, la structure donne un guide d'ondes se présentant sous la forme d'une lame diélectrique.On peut choisir les couches de gaine de façon qu'elles remplissent la fonction de couches de guide d'ondes, ou bien on peut employer des couches supplémentaires entre lesquelles est intercalée la couche active déjà intercalée entre des couches de gaine.

Dans ce dernier cas, la structure est connue sous l'appellation d'hétérostructure à confinement sépare (ou SCH pour "separate-confinement heterostructure"), et elle est habituellement employée pour renforcer le confinement optique dans la couche active lorsque la couche active a une épaisseur d'environ 10 nm, et consiste en une couche active à puits quantique. La propriété de confinement de porteurs de cette structure conduit à une concentration élevée de porteurs minoritaires dans la couche active, lorsque la structure est soumise à un pompage électrique ou optique. Ceci produit l'inversion de population qui est exigée pour la condition d'émission laser.En outre, lorsque l'inversion de population a été atteinte, la propriété de confinement optique de la structure permet l'amplification de lumière dans la direction du guide d'ondes, et si cette amplification de lumière est suffisamment grande, elle provoque l'émission laser. Cependant, pour la structure qui est représentée sur la figure 1, le confinement des porteurs et le confinement optique sont tous établis dans une seule dimension, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à la couche active. Aucun confinement n'existe dans la direction parallèle à la couche active, c'est-à-dire la direction latérale. Cette absence de confinement dans la direction latérale conduit à un courant de seuil élevé et à des caractéristiques d'émission laser dégradées.Par conséquent, la plupart des structures connues ont un confinement bidimensionnel, et des efforts considérables ont été déployés pour effectuer le confinement bidimensionnel. Par exemple, la figure 3 montre une structure caractéristique dans la technique, dans laquelle on confine la région active 3 en l'entourant sur ses côtés par un matériau 6 à bande interdite supérieure/indice inférieur, en plus des couches de gaine 2 et 4 décrites précédemment. Le résultat est un guide d'ondes rectangulaire qui confine à la fois les porteurs et les ondes lumineuses dans les directions perpendiculaire et parallèle (latérale) à la couche active. Ceci permet d'avoir un seuil d'émission laser plus faible et de meilleures caractéristiques d'émission laser. Ce type de laser est appelé laser à hétérostructure enterrée (ou BH pour zburied heterostructure"). On peut également réaliser et modifier une telle structure pour fabriquer des diodes électroluminescentes et des variantes fonctionnelles de celles-ci. Du fait que l'hétérostructure enterrée est la forme courante dans la technique et la base de la présente invention, on la décrira ci-dessous de façon plus détaillée.

L'hétérostructure enterrée qui est représentée sur la figure 3 comporte une région active 3 qui est intercalée entre des couches supérieure et inférieure de matériaux à bande interdite plus large, 2 et 4. I1 existe en outre des matériaux de confinement 6 qui remplissent les fonctions de régions de confinement de porteurs et de confinement optique, et qui permettent d'obtenir les avantages indiqués ci-dessus. Ces régions de confinement peuvent être formées par une variété de techniques. Un exemple d'une telle technique comprend la croissance de couches de semiconducteurs 5, 4, 3 et 2 sur le substrat 1, et ensuite l'enlèvement par attaque de régions sélectionnées des couches 2, 3, 4 et 5.On peut effectuer cette croissance de couches par des techniques bien connues, comme l'épitaxie par jets moléculaires (ou MBE pour "molecular beam epitaxy"), le dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (ou MOCVD pour "metalorganic chemical vapor deposition"), l'épitaxie en phase liquide, ainsi que d'autres techniques connues de l'homme de l'art.

La structure est ensuite masquée sélectivement avec un matériau qui est inerte vis-à-vis d'un agent d'attaque donné, et des régions non masquées des couches de semiconducteurs sont enlevées par l'agent d'attaque. A titre d'exemple, on utilise souvent comme masque une pellicule de SiNX ou SiO2, et on l'enlève ensuite par exemple après l'achèvement du traitement d'attaque. Enfin, lorsque l'opération d'attaque désirée est achevée, on fait croître ou on dépose le matériau de confinement 6 dans les régions attaquées, et on achève la formation de l'hétérostructure enterrée. Bien qu'étant connues, les techniques d'attaque et de recroissance ne sont pas souhaitables dans la fabrication de dispositifs à hétérostructure enterrée, du fait qu'elles compliquent la fabrication des dispositifs, et réduisent ainsi les possibilités de production commerciale.Par exemple, ce type de fabrication est difficile à mettre en oeuvre pour intégrer un grand nombre de dispositifs interconnectés sur une seule tranche. D'autre part, du fait que l'hétérostructure enterrée est utilisée pour une variété d'avantages qui en découlent, il est souhaitable de pouvoir fabriquer les dispositifs à hétérostructure enterrée d'une manière fiable et rentable. Par exemple, dans des applications concernant les lasers, le laser à hétérostructure enterrée présente le courant de seuil faible exigé pour produire l'émission laser à un niveau de courant inférieur, grâce à un meilleur confinement des porteurs et des ondes optiques, en comparaison avec le laser à hétérojonction se présentant sous la forme d'une lame.

Dans la recherche de la maximisation des avantages de dispositifs à hétérostructure enterrée (ou BHD pour "buried heterostructure devices"), ainsi que pour réduire leurs inconvénients de fabrication, on a développé des techniques visant à réduire la complexité de fabrication de dispositifs à hétérostructure enterrée. L'une des techniques qui a simplifié la fabrication de dispositifs à hétérostructure enterree est l'introduction de désordre par l'action d'impuretés, par diffusion. Plus précisément, l'introduction de désordre par l'action d'impuretés (ou
IID pour " Impurity Induced Disordering") est un procédé qui permet de définir des bandes interdites par des étapes de traitement relativement simples, tout en maintenant une surface relativement plane.On peut trouver les détails de la technique IID dans les documents : VERY LOW THRESHOLD
STRAINED IN Ga As-GaAs QUANTUM WELL LASERS DEFINED BY
y I-y
IMPURITY INDUCED DISORDERING, par W.X. Zou et al., IEEE
Photonics Technology Letters Vol. 3, n" 5, mai 1991; LOW
THRESHOLD HIGH-EFFICIENCY HIGH-YIELD IMPURITY-INDUCED
LAYER DISORDERING LASER BY SELF-ALIGNED Si-Zn DIFFUSION, par W.X. Zou et al., Appl. Phys. Lett. 57(24), 10 décembre 1991; DISORDER OF AN Au cl As-GaAs SUPERLATTICE BY
x l-x
IMPURITY DIFFUSION par W.D. Laidig et al., Appl. Phys.

Lett. vol. 38, pages 776-778 (1981); ULTRALOW THRESHOLD
STRAINED InGaAs-GaAs QUANTUM WELL LASERS BY IMPURITY
INDUCED DISORDERING, par W.X. Zou et al., ELECTRONICS
LETTERS, Vol. 27, n" 14, 4 juillet 1991; LOW THRESHOLD
PLANAR BURIED HETEROSTRUCTURE LASERS FABRICATED BY
IMPURITY-INDUCED DISORDERING, par R.L. Thornton et al.,
Appl. Phys. Lett. 47(12), 15 décembre 1985; DISORDER OF AN
Al Ga As-GaAs SUPERLATTICE BY DONOR DIFFUSION, par K.

x 1-x
Meehan et al., Appl. Phys. Lett. 45(5), 1er septembre 1984; SELF-ALIGNED Si-Zn DIFFUSION INTO GaAs AND AlCaAs, par W.X. Zou et al., J. Appl. Phys. 64(4), 15 août 1988 et
HIGH-PERFORMANCE DIFFUSION DISORDERED Al Gal As LASERS
x î-x
VIA A SELF-ALIGNED PROCESS AND CONVENTIONAL OPEN-TUBE
ANNEALING, par R.S. Burton et al., J. Appl. Phys. 73(4), 15 février 1993. Le processus et les avantages de 1'IID sont fondamentaux pour la compréhension de la présente invention, ce qui fait qu'une partie considérable de la description présente sera consacrée à l'explication de 1' IID.

Comme on l'a indiqué, une hétérostructure enterrée est une structure dans laquelle la région active est confinée par le fait qu'elle est entourée sur ses côtés par un matériau à bande interdite supérieure/indice inférieur, en plus des couches entre lesquelles la région active est intercalée. Le désir de réaliser cette structure par des moyens fiables et néanmoins économiques a conduit la technologie à une variété de techniques, comprenant 1'IID. L'IID est le phénomène qui se manifeste sous l'effet de l'introduction d'un agent dans un empilement de couches d'une tranche de semiconducteur. Cet agent diffuse dans le semiconducteur et il se lie à des sites accepteurs (ou donneurs) dans la structure cristalline du semiconducteur, ce qui a pour effet de changer la structure du cristal et donc les propriétés physiques.Un changement important dans les proprietés du matériau consiste en ce que l'inter-diffusion d'atomes isoélectroniques de couches adjacentes (par exemple des atomes de Ga et Al de couches de GaAs/AlGaAs) est extrêmement renforcée. Ainsi, la composition d'alliage d'une couche de puits quantique est effectivement mélangée avec ses couches adjacentes, d'où le terme "introduction de désordre".

Ainsi, par l'introduction d'un agent donneur ou accepteur qui diffuse dans toute l'étendue d'une région sélectionnée de la tranche, on modifie la bande interdite du matériau de la couche de puits quantique pour lui donner un niveau désiré. En outre, ce processus change également l'indice de réfraction du matériau, ce qui est nécessaire dans la fabrication de dispositifs laser. On rencontre généralement le cas dans lequel les couches destinées à remplir la fonction de couches actives sont des couches de puits quantiques et sont sélectivement désordonnées par l'incorporation d'un agent d'introduction de désordre.

On sait que la diffusion pour effectuer un dopage et/ou une introduction de désordre par l'action d'impuretés est un processus fiable pour fabriquer des dispositifs ayant des caractéristiques électriques à la fois uniformes et fiables. La profondeur de pénétration d'impuretés de diffusion est fonction de la température et deladSE de la diffusion, et elle peut être commandée de façon très précise par la commande de ces paramètres. Des opérations de masquage et d'attaque permettent la maîtrise exacte de la région de diffusion, et à titre d'exemple, des couches de SiO2 et SiN , que l'on fait croître aisex ment, se sont avérées être des masques fonctionnels contre la diffusion de nombreuses impuretés de type donneur comme de type accepteur. L'utilisation d'impuretés d'une telle manière permet la formation de régions ou de couches adjacentes qui sont dissemblables de façon hétérogène en ce qui concerne la composition d'alliage, mais qui ont la même structure cristalline. Ceci permet d'obtenir les changements désirés dans une couche de puits quantique, pour former des régions ayant une bande interdite supérieure et/ou un indice de réfraction inférieur, par rapport à une région de la couche qui n'est pas modifiée.

Une structure de couches très importante dans des disposée tifs à semiconducteurs III-V est un super-réseau de GaAs/
AlGaAs, qui consiste en un ensemble de couches à bande interdite inférieure entrelacées, qui sont intercalées entre des couches à bande interdite supérieure. La totalité ou des parties sélectionnées d'une structure de super-réseau d'arséniure de gallium/arséniure d'aluminiumgallium peuvent être converties en un arséniure d'aluminium-gallium monocristallin ayant une bande d'énergie interdite qui est une moyenne de celle des couches de super-réseau d'origine. Des applications du phénomène physique d'IID dans de tels dispositifs électroniques/ optoélectroniques sont décrites par exemple dans les brevets des E.U.A. n" 4 378 255 et 4 639 275.Le brevet 4 378 255 décrit la diffusion de Zn dans une structure de super-réseau qui est adjacente à une couche de barrière.

Le brevet 4 378 275 décrit l'utilisation d'un masque de nitrure de silicium déposé par des techniques photolithographiques qui sont bien connues pour effectuer la diffusion sélective. La diffusion est effectuée de façon spécifique par l'introduction de zinc pendant une durée spécifiée, à des températures nettement inférieures aux températures d'inter-diffusion de composants du superréseau, par exemple 500-600"C dans le cas de GaAs/AlGaAs.

Les atomes de zinc diffusent vers les couches à nu (non masquées), et ils font en sorte que les couches actives et de barrière dans le super-réseau deviennent un alliage d'arséniure d'aluminium-gallium présentant un désordre au point de vue de la composition, tout en conservant la structure cristalline. Par conséquent, des régions de confinement latéral pour les régions non diffusées peuvent être fabriquées aisément, pour former divers types de dispositifs à hétérostructure enterrée.

Comme on l'a indiqué précédemment, un aspect clé de l'invention réside dans la discontinuité des bandes d'énergie entre la région active et les régions de confinement. Dans une application de laser, ceci peut également inclure le changement de l'indice de réfraction, qui se manifeste par un changement de la constante diélectrique du matériau. On utilise le phénomène physique d'introduction de désordre par l'action d'impuretés pour produire ces barrières dans les énergies de bandes de conduction/valence et dans l'indice de réfraction. Cependant, lorsqu'on s'efforce de realiser les régions de confinement latéral d'un dispositif, on change également souvent le type de dopage dans la région, et des jonctions pn parasites se forment.Ces jonctions pn parasites pourraient établir un chemin permettant au courant injecté de contourner la région active, auquel cas aucune action d'émission laser ne pourrait se produire. Par conséquent, une étape de diffusion supplémentaire est souvent exigée pour corriger les jonctions pn parasites de façon que le courant injecté soit confiné à la région active. Par exemple, dans une tranche ayant un substrat en GaAs de type n , une couche de gaine inférieure en GaAs de type n, une région active en GaAs de type i et une couche de gaine supérieure qui est dopée avec le type p, une diffusion de
Si produit les régions de confinement latéral nécessaires.

Dans une telle structure, on utilise souvent une diffusion de Zn pour corriger la jonction pn parasite entre la région active et la couche de contact. I1 est clair que 1'IID par diffusion est un procédé beaucoup moins complexe et beaucoup plus économique pour produire le dispositif à hétérostructure enterrée, que les processus d'attaque et de recroissance que l'on a décrits ci-dessus. Des détails spécifiques concernant l'utilisation de la diffusion pour créer les régions de barrières latérales ainsi que pour corriger les jonctions pn parasites, sont décrits dans les documents suivants : LOW THRESHOLD PLANAR BURIED HETERO
STRUCTURE LASERS FABRICATED BY IMPURITY-INDUCED DISORDE
RING, par R.L. Thornton et al., Appl. Phys.Lett. 47(12), 15 décembre 1985 et LOW-THRESHOLD DISORDER DEFINED BURIED
HETEROSTRUCTURE Al Ga As-GaAs QUANTUM WELL LASERS, par
x î-x
D.G. Deppe et al., J. Appl. Phys. 58(12), 15 décembre 1985.

Les techniques pour l'introduction sélective de désordre dans la tranche de semiconducteur, dans la fabrication de dispositifs à hétérostructure enterrée, comprennent par exemple la diffusion d'impuretés ou de lacunes, le bombardement par faisceau d'ions ou d'électrons, ainsi que le recuit thermique rapide ou renforcé par laser, avec ou sans surpression d'un agent d'introduction de désordre.

Bien que l'inventeur connaisse ces techniques, il a cherché à atteindre le résultat final par des techniques moins complexes et plus fiables. De ce fait, la description visera à procurer une compréhension approfondie de la présente invention, en faisant ressortir par ailleurs ses avantages vis-à-vis de l'art antérieur le plus proche.

On a montré que des lasers à rendement élevé et à faible seuil, fabriqués par introduction de désordre par l'action d'impuretés, pouvaient être fabriqués par un processus qui est illustré sur les figures 4a-4d. Plus précisément, en passant à la figure 4a, on note que la tranche qui est employée comprend un substrat 1 en GaAs de type n , avec une couche de gaine en AlGaAs de type n déposée ou formée par croissance sur ce substrat. On dépose ou on fait croître une couche active 3 sur la couche 2. La couche active peut consister en une couche à puits quantique unique ou à puits quantiques multiples.

Ensuite, on fait croître ou on dépose sur la surface supérieure de la couche active une couche de gaine supérieure 4 en AlGaAs de type p et une couche de contact en
GaAs de type n. Pour effectuer la diffusion de Si, on dépose une pellicule de Si 6 sur la couche de gaine 4 de type p, et on forme des fenêtres de diffusion par des techniques de décollement classiques. Après ceci, comme représenté sur la figure 4b, on dépose une pellicule de
SiO2, 7, et la diffusion a lieu sélectivement par chauf fage de la tranche. La couche de SiO2 a pour effet de renforcer la diffusion de Si et de protéger la tranche au cours du processus de chauffage, et on suppose que la couche de SiO2 permet la diffusion de Ga vers l'extérieur, ce qui permet la substitution de Si dans les sites de Ga vacants.On peut trouver des détails supplémentaires concernant ce processus dans le brevet des E.U.A. n" 4 824 798. Le résultat de cette diffusion consiste dans la formation de régions de confinement 8 sur les côtés de la région active 3. Cependant, du fait que Si agit comme un donneur, la partie considérée de la couche de gaine supérieure prend le type n et des jonctions pn parasites se forment entre cette partie et la région située sous la fenêtre de diffusion de Si. Pour corriger la jonction pn parasite, on utilise une diffusion de Zn. En se référant à la figure 4c, on voit que l'on enlève tout d'abord la couche de SiO2 avec une solution tamponnée de HF, et que l'on utilise la pellicule de Si initiale à titre de masque pour la diffusion de Zn à des températures élevées, pendant une durée donnée. Du fait que Zn se comporte comme un accepteur, les jonctions pn parasites peuvent être corrigées. Pour fabriquer un dispositif qui fonctionne, il est nécessaire de former un contact ohmique, et dans l'exemple présent, on effectue ceci par évaporation d'une couche 9 en Au-Zn sur la surface supérieure d'une pellicule de SiO2, 10, qui est déposée sur la tranche après la diffusion de Zn. Cette couche de dioxyde de silicium remplit la fonction d'une pellicule d'isolation électrique, de façon que des tensions de polarisation ne soient appliquées que sur les régions désirées. On notera que dans cette structure de laser, les fenêtres de diffusion de Zn sont alignées automatiquement et précisément avec les fenêtres de diffusion de Si, d'où le terme de diffusion de Si-Zn auto-alignée.Cette sorte d'auto-alignement peut non seulement simplifier le processus de fabrication, mais également améliorer les performances du dispositif.

On peut trouver dans les documents suivants les détails de la fabrication de dispositif que l'on vient de décrire LOW-THRESHOLD HIGH EFFICIENCY HIGH YIELD IMPURITY INDUCED
LAYER DISORDERING BY SELF-ALIGNED Si-Zn DIFFUSION, par
W.X. Zou et al., Appl. Phys. Lett. 57(24), 10 décembre 1990, cité précédemment, et 1.0-mA-THRESEHOLD UNCOATED
LASERS BY IMPURITY-INDUCED DISORDERING, par W.x. Zou et al., IEEE Photon. Tech. Lett., Vol. 5, pages 591-594 (1993).

Comme on peut l'apprécier, il existe un besoin portant sur une technique de fabrication qui permettra la fabrication fiable de dispositifs optoélectroniques à hautes performances, ayant une structure relativement simple. Comme on l'a déjà envisagé d'une manière assez étendue, le phénomène physique d'introduction de désordre par l'action d'impuretés apparaît être une technique arrivant à maturité pour atteindre ce but, et des techniques auto-alignées semblent présenter une solution relativement viable. Le brevet des E.U.A. n" 5 262 360, délivré à Holonyak, Jr. et al., décrit l'utilisation d'un oxyde natif pour effectuer 1'IID d'une manière auto-alignée.

L'Exemple 5 du brevet précité présente une technique pour fabriquerparce moyen un laser à hétérostructure à puits quantique. Dans cet exemple, on utilise un substrat en
GaAs de type n et on dépose sur celui-ci une séquence de couches consistant en GaAs/AlGaAs pour un laser. A la suite de ce processus, on effectue une diffusion de Zn pour contribuer à la maîtrise de la diffusion latérale de
Si sous des régions masquées. On effectue ensuite la diffusion de Si par l'utilisation d'une pellicule de Si déposée sur un masque de Si3N4 dans lequel on a défini un motif consistant en bandes, pour former les fenêtres de diffusion de Si.On forme ensuite la couche d'oxyde natif par un processus d'oxydation qui est sélectif dans la mesure où la couche d'oxydation est formée seulement sur des régions ayant une teneur en aluminium élevée, et aucun oxyde n'est formé sur les bandes en GaAs qui ont été fabriquées précédemment par attaque par voie humide de la couche de contact, en utilisant les bandes de SiN à titre
x de masque d'attaque. On enferme ensuite hermétiquement la tranche de semiconducteur dans une ampoule contenant une source de ZnAs2, et une opération de recuit thermique appliquée à l'ampoule provoque la diffusion de Zn à travers la bande de GaAs, avec l'oxyde natif utilisé à titre de masque pour la diffusion sélective de Zn, et ensuite à titre d'isolant pour la formation sélective d'un contact métallique.Ainsi, la fenêtre de contact métallique est automatiquement auto-alignée avec la fenêtre de diffusion de Zn. En outre, du fait que l'oxyde natif ne peut pas être formé sur la couche de contact en GaAs de la tranche, l'oxyde natif est auto-aligné avec la bande de la couche de GaAs, qui a rempli la fonction de la fenêtre pour la diffusion sélective de Si. Par conséquent, cette technique a montré un processus triplement auto-aligné.

Cependant, il est bien connu que la formation d'un oxyde natif, ou naturel, n'est pas une tâche simple pour des semiconducteurs composés III-V. La formation d'un oxyde natif ne peut se produire que sur un matériau ayant une teneur en aluminium élevée, tel que Al Ga As ou
0,7 0,3
Al Ga As. En outre, l'oxyde natif peut être formé
0,8 0,2 seulement par un processus bien maîtrisé et prenant beaucoup de temps, contrairement à la formation relativement simple, et donc moins difficile, d'oxyde natif sur des semiconducteurs du Groupe IV, tels que Si.

Après avoir envisagé d'autres techniques utilisées dans la fabrication de dispositifs à semiconducteurs à hétérostructure enterrée, il est clair que l'on a besoin d'un procédé auto-aligné pour fabriquer de tels dispositifs qui ne souffre pas des limitations et des inconvénients inhérents d'autres procédés, que l'on a envisagés ci-dessus. I1 est souhaitable de développer un procédé auto-aligné qui soit plus direct, plus souple et plus fiable pour la fabrication de dispositifs à semiconducteurs III-V, en particulier des dispositifs optoélectroniques.

Ainsi, dans la présente invention, on dépose par pulvérisation cathodique une pellicule de SiN sur une
x tranche de semiconducteur ayant un certain nombre de couches de semiconducteurs III-V ayant différentes valeurs d'épaisseur, de bande interdite et/ou de niveau de dopage, que l'on a fait croître sur un substrat semiconducteur. On utilise tout d'abord cette pellicule de nitrure de silicium à titre de source de diffusion sélective de Si, pour créer les structures de bandes interdites désirées pour un dispositif optoélectronique donné.Ensuite, on utilise la même pellicule de SiN à titre de masque pour
x la diffusion sélective de Zn dans la tranche, cette opéra tion étant suivie par l'utilisation du masque de SiN à
x titre d'isolant électrique pour le contact ohmique sélec tif pour le dispositif. On choisit la pellicule de SiN de
x façon que son indice de réfraction soit compris dans des plages spécifiques, du fait que l'on trouve que l'indice de réfraction est un bon indicateur de la composition chimique et de la densité physique de la pellicule. On choisit l'indice de réfraction dans différentes plages pour différents résultats désirés.Enfin, il est important de noter qu'une pellicule de SiO2 déposée par dépôt chimique en phase vapeur du type PECVD, est utilisée à titre d'élément d'encapsulation de la tranche au cours de la diffusion de silicium.

Un but de l'invention est de procurer un procédé simplifié et fiable pour fabriquer un dispositif à semiconducteurs par l'utilisation du phénomène physique d'introduction de désordre par l'action d'impuretés. Un but supplémentaire de la présente invention est d'obtenir un dispositif à semiconducteurs qui est fabriqué par un procédé simplifié et fiable utilisant le phénomène physique d'introduction de désordre par l'action d'impuretés.

Une caractéristique de la présente invention consiste à utiliser un seul matériau pour un seul masque pour effectuer la fabrication d'un dispositif par diffusion, ainsi que pour le placement aligné d'un contact ohmique.

Un avantage de la présente invention consiste en ce qu'elle permet de fabriquer, par une technique de fabrication similaire, une variété de structures de dispositifs, comprenant, de façon non limitative, des hétérostructures à puits quantiques, des structures à superréseaux, et une double hétérostructure enterrée.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 montre une structure fondamentale concernant les matériaux utilisés pour un laser à semiconducteurs.

La figure 2 est un diagramme de bandes d'énergie d'un laser à semiconducteurs autour de la couche active.

La figure 3 montre une coupe d'une hétérostructure enterrée de type caractéristique.

Les figures 4a-4d montrent une série de coupes concernant un procédé de fabrication qui utilise l'introduction de désordre par l'action d'impuretés.

Les figures 5a-5d montrent une série de coupes concernant le procédé de fabrication de la présente invention.

La figure 6 représente la puissance de sortie lumineuse en fonction du courant d'attaque pour un laser caractéristique fabriqué par la présente invention.

On a fabriqué des diodes laser ou un laser à semiconducteurs par introduction de désordre par l'action d'impuretés (ou IID), par diffusion de Si et Zn. Le procédé de la présente invention permet la fabrication par une technique de masquage triplement auto-alignée, permetant ainsi d'avoir un procédé de fabrication plus simple et plus reproductible.

En se référant maintenant aux figures 5a-5d, on voit les principales étapes de traitement du mode de réalisation préféré. La tranche de semiconducteur qui est employée pour la fabrication d'un laser à hétérostructure enterrée conforme à la présente invention comporte un substrat 1 de type n+. Les couches suivantes sont formées par croissance, de préférence par épitaxie par jets moléculaires (ou MBE) ou par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (ou MOCVD), mais d'autres techniques de dépôt ou de croissance qui sont à la portée de l'homme de l'art sont utilisables. La couche de gaine inférieure 2 consiste en Al0,6Ga0,4As de type n, avec une épaisseur qui est de préférence d'environ 1 micromètre, et un niveau de dopage qui est de préférence d'environ 5 x
17 -3 10 cm .La région active 3 est de façon nominale non dopée, et elle comprend de préférence deux couches symétriques consistant en couches de guide d'ondes en
Al Ga As (avec x = 0,1 à environ 0,2, et chaque couche
x I-x de guide d'ondes mesure approximativement 0,07 micromètre d'épaisseur), entre lesquelles sont intercalées deux couches d'espacement en GaAs, de 10 nm d'épaisseur, avec une couche de puits quantique en In Ga As intercalée au
y î-y centre (avec y = 0,1 à environ 0,2, et l'épaisseur de la couche est de préférence d'environ 8,0 à 8,5 nm). Cependant, bien que les types de matériaux employés pour réaliser la région active à puits quantique soient préférables, ils ne sont pas limitatifs et il est possible d'utiliser d'autres matériaux et d'autres épaisseurs connus de l'homme de l'art.Par exemple, on considère que des régions actives à puits quantique qui sont décrites dans le brevet des E.U.A. n" 4 671 830 sont utilisables dans la fabrication de la région active de la présente invention.

Enfin, d'autres structures, comprenant des super-réseaux (par exemple comme décrit dans le brevet des E.U.A. n" 4 639 275, precité) et des couches uniques d'un matériau semiconducteur ayant une bande interdite plus étroite que celle des couches de gaine/confinement, peuvent egalement être utilisées pour la région active. La couche de gaine supérieure 4 est une couche consistant en Al0,6Ga0,4As de type p avec une épaisseur qui est de préférence d'environ 1 micromètre et un niveau de dopage qui est de préférence -3 d'environ 3 x 10 cm . Enfin, on dépose une couche 5 en
GaAs de type n, avec une épaisseur qui est de préférence de 0,2 micromètre, pour une couche de contact.

On a formé initialement une bande de 2 micromètres de matière de réserve photosensible 11, de préférence une matière de réserve photosensible positive, sur la surface supérieure de la couche de contact 5, de préférence dans l'orientation cristallographique (011), par des techniques photolithographiques bien établies, et on a effectué une attaque par voie humide dans NH4OH:H 2O2:H 20 = 15:1:30 pendant environ 10 secondes, pour enlever la couche de contact, sauf celle qui était protégée par la bande de matière de réserve photosensible. L'agent d'attaque par voie humide utilisé était un agent d'attaque riche en NH4OH, par opposition à un agent d'attaque riche en peroxyde d'hydrogène, ce qui fait que tout oxyde qui a été produit par le peroxyde a été enlevé immédiatement par l'hydroxyde d'ammonium.Enfin, pour garantir encore davantage qu'aucun oxyde ne restait après l'attaque par voie humide, on a fait suivre cette opération par une exposition pendant trois à quatre secondes à l'action d'une solution 1:1 d'hydroxyde d'ammonium-eau. Immédiatement après ceci, on a chargé la tranche dans une chambre de pulvérisation cathodique dans laquelle on avait fait le vide et que l'on avait rincée deux fois avec un gaz consistant en argon, pour éliminer le plus possible tout résidu d'oxygène pouvant se trouver dans la chambre.On a ensuite réduit le niveau de pression de la chambre à une valeur qui est de préférence de 40 FPa, et on a déposé sur la tranche une pellicule 6 de SiN ayant une épaisseur
x d'environ 100-200 nm, mais de préférence de 130-170 nm, par réaction chimique activée par un plasma à courant continu entre le Si produit par pulvérisation cathodique d'une cible de Si avec des ions Ar, et le gaz N2 introduit dans la chambre (figure 5a). La vitesse de dépôt du SiN
x était d'environ 12 nm/min. En réglant le débit de l'azote et le niveau de polarisation de la cible en Si, on peut faire en sorte que le volume de la pellicule de SiN soit
x stoechiométrique, avec un indice de réfraction se trouvant approximativement dans la plage de 2,0-2,2. On a fait en sorte que les 20-60 derniers nanomètres (approximativement) de la pellicule de SiNX, et de préférence les 30-50 derniers nanomètres, soient riches en Si, avec un indice de réfraction d'environ 2,6-3,2. On envisagera ci-après l'importance de la composition de la couche de SiN
x
Enfin, il est important d'avoir une bonne adhérence de la pellicule dee SiN sur la région du substrat qui a été
x attaquée, du fait que ceci est critique dans le procédé de fabrication.La présence d'oxyde résiduel sur la surface de la région attaquée, avant la formation de la pellicule de SiN , due soit à un enlèvement incomplet de l'oxyde qui
x est produit par le peroxyde d'hydrogène au cours de l'attaque par voie humide, soit à l'exposition à l'air de la région attaquée, après l'attaque par voie humide, peut empêcher l'obtention d'une adhérence satisfaisante de la pellicule de SiN . I1 est donc nécessaire de prendre de
x grandes précautions au cours de l'opération d'attaque par voie humide et de la manipulation ultérieure de la tranche.

Après le dépôt de la pellicule de SNx , on enlève la bande de matière de réserve photosensible 11, en compagnie de la partie de la pellicule de SlNx qui se trouve sur la surface supérieure de la bande de matière de réserve photosensible, par une opération de décollement classique, par exemple par rinçage de la tranche dans de l'acétone. Une fenêtre de diffusion est donc mise à nu dans la pellicule de SNx , dans la même région que la bande de contact en GaAs, 5. La pellicule de SiN est
x déposée de préférence par pulvérisation cathodique, mais d'autres techniques, comme l'évaporation par faisceau d'électrons sont également possibles.Comme on le voit sur la figure 5b, une pellicule de SiO2 12 est déposée par dépôt chimique en phase vapeur de type PECVD, avec une épaisseur dans une plage préférée d'environ 60-80 nm, pour encapsuler la tranche. Une fois que l'encapsulation est terminée, une opération de recuit thermique est effectuée à une température qui est de préférence de 850oc, sous une surpression d'As, pendant une durée qui est de préférence de 3-4 heures, dans un tube en quartz fermé. La pellicule de dioxyde de silicium déposée par PECVD se comporte comme un bon agent d'encapsulation pour protéger la tranche contre une dégradation au cours du recuit thermique, tandis que SiN constitue la source pour la diffusion de
x
Si.On va maintenant envisager les caractéristiques physiques de l'utilisation d'une pellicule de SiN à titre de
x source et de SiO2 à titre d'agent d'encapsulation. On a montré que le dioxyde de silicium était perméable à Ga et
As, ce qui fait qu'il permet la diffusion de Ga vers l'extérieur, en créant ainsi des sites vacants dans le
GaAs, par l'intermédiaire de la fenêtre de contact. La substitution de Si dans ces sites vacants est donc renforcee. La source de Si dans cette substitution est la pellicule de SNx . Des détails supplémentaires concernant l'utilisation de SiO2 à titre d'agent d'encapsulation sont décrits dans le brevet des E.U.A. n" 4 824 798, précité.

La diffusion de Si désordonne la couche active par IID, dans les régions de la tranche dans lesquelles le front de diffusion de Si, 7, a traversé la couche. On peut voir ceci sur la figure 5b.

I1 est important de noter que pour que la pellicule de SiO2 constitue un bon agent d'encapsulation de la tranche pendant le processus de diffusion de Si qui a lieu à une température relativement élevée et qui est quelque peu prolongé, la pellicule de dioxyde de silicium doit être dense et uniforme. On parvient à ceci en utilisant un réacteur de PECVD du type à diode plane, de basse fréquence, de préférence 30-50 kHz, et on a trouvé que la technique de PECVD à haute fréquence, par exemple 13,5 MHz, la technique de CVD thermique ou la pulvérisation cathodique ne permettent pas de déposer de façon appropriee une pellicule de SiO2 suffisamment bonne pour protéger la tranche contre une dégradation notable au cours du processus de diffusion de Si.

Après l'achèvement de l'opération de diffusion de Si, on retire la pellicule de SiO2 dans une solution tamponnée de HF, de préférence pendant une minute. La pellicule de SiN est pratiquement inchangée après l'atta
x que par voie humide, du fait de la nature robuste et de la densification de la pellicule de SiN dans l'opération de
x recuit thermique. Ensuite, on utilise la pellicule de SiN
x à titre de masque pour la diffusion de Zn, qui est effectuée dans un tube en quartz fermé, de préférence à 650"C pendant 15 minutes, dans une surpression d'As, avec un morceau de Zn élémentaire à titre de source de Zn. Bien que Zn soit préférable, Be pourrait également être utilisé dans cette étape de diffusion.Comme on l'a envisagé précédemment, la diffusion de Zn facilite la formation du contact métallique, mais corrige également les jonctions pn parasites, de façon qu'elles se trouvent complètement à l'intérieur de la couche de gaine supérieure en Alo 6Ga0 4As, ce qui donne à toutes les jonctions pn parasites une bande interdite plus large, rendant ainsi leur déblocage plus difficile que celui de la jonction pn active. Cependant, la région de diffusion de Zn doit être aussi faible que possible, à condition qu'elle soit suffisamment grande pour former le contact ohmique et pour corriger les jonctions pn parasites, du fait l'aire de la jonction pn parasite a un effet marqué sur le problème de courant de fuite.Plus l'aire de la diffusion est faible, moins le courant de fuite a de chances de produire des effets nuisibles, et meilleur est donc le confinement du courant. Comme indiqué, le volume principal de la pelli cule de SiN que l'on a employée a un indice de réfraction
x dans la plage de 2,0 à 2,2, et l'indice de réfraction de la couche de pellicule de SiN est un bon indicateur de sa
x qualité stoechiométrique, ainsi que de sa composition chimique globale. L'article "Behavior of SiN films as
x masks for Zn diffusion" par Zou et al., J. Appl. Phys.

62(3) Ler août 1987 mentionne le fait qu'une pellicule de
SiN presque stoechiométrique s'est avérée être très effi
x cace pour réduire fortement la diffusion latérale. On a émis l'hypothèse selon laquelle ceci était dû à l'impossibilité de diffusion de Ga vers l'extérieur à partir du semiconducteur, et à l'impossibilité de diffusion d'As vers l'intérieur, en direction du semiconducteur. Par conséquent, du fait qu'une telle pellicule de SiN est
x utilisée à titre de masque pour la diffusion de Zn, on obtient un bon profil de diffusion, avec une diffusion latérale minimale, et de ce fait la fuite de courant sera maintenue à un minimum. Ceci est un avantage important de la présente invention.

En considérant maintenant la figure 5d, on note que l'on forme les contacts métalliques ohmiques. On forme ensuite le contact métallique de type p en utilisant la même fenêtre que pour la diffusion de Si et Zn. Pour réaliser le contact ohmique, on a évaporé une triple pellicule 9 ayant de préférence la composition suivante une pellicule de Cr de 5 nm d'épaisseur, une pellicule de
AuZn (5% de Zn dans Au) de 50 nm d'épaisseur, et une pellicule d'Au de 250 nm d'épaisseur. Ceci constitue le contact métallique ohmique de type p. Bien que la triple pellicule ci-dessus soit préférable, on pourrait employer d'autres contacts métalliques de type p, comme par exemple un système utilisant une double pellicule du type Cr/Au ou
Ti/Au.Le contact de type n, 10, qui est formé consiste en une autre triple pellicule ayant de préférence la composition suivante : une pellicule d'AuGe (15% de Ge dans Au) de 100 nm d'épaisseur, une pellicule de Ni de 20 nm d'épaisseur et une pellicule d'Au de 120 nm d'épaisseur.

Une image au microscope électronique à balayage (non représentée) d'un laser IID produit par le procédé de la présente invention révèle le caractère fortement symétrique de la section du dispositif. Cette symétrie notable est un résultat de l'auto-alignement à la fois de la fenêtre de contact métallique, de la fenêtre de diffusion de Si et de la fenêtre de diffusion de Zn. Enfin, l'image au microscope électronique à balayage révèle également la diffusion latérale minimale de Zn, comme décrit précédemment.

La figure 6 représente une courbe caractéristique donnant la puissance de sortie lumineuse en fonction de l'injection de courant (L-I) pour un laser fabriqué par la présente invention, à partir d'une seule facette, avec un ruban actif de 1,2 micromètre de largeur et de 250 micrometres de longueur. Le courant de seuil dans ce cas est : Ith = 2,4 mA à la température ambiante, en fonc
th tionnement en régime continu (ou CW). Enfin, la courbe (L-I) est linéaire jusqu a environ 8 mW, avec un rendement quantique différentiel nd = 35% par facette; on peut faire fonctionner le laser jusqu'à 15 mW de façon répétable, sans endommagement perceptible du dispositif.

Lorsque le dispositif qui est représenté sur la figure 5d est polarisé en direct, il fonctionne en laser, ou en amplificateur de lumière si les deux facettes sont revêtues avec des revêtements antireflets. Cependant, le même dispositif peut fonctionner en détecteur ou en modulateur s'il est polarisé en inverse. La question fondamentale dans ce type d'application est de savoir jusqu'où on peut augmenter la tension de polarisation inverse sans atteindre le niveau de tension de claquage du dispositif. La courbe I-V (non représentée) du dispositif révèle que la tension de polarisation inverse peut aller jusqu'à 5,0 V sans atteindre le claquage, et qu'à ce niveau de tension le courant de fuite du dispositif n'est pas appréciable.Le courant de fuite par conduction minimal est très important non seulement pour que le dispositif fonctionne en bon détecteur ou modulateur ayant un faible courant d'obscurité et un rapport d'extinction élevé, mais également pour faire fonctionner le dispositif en bon laser ou amplificateur de lumière ayant un faible courant de seuil et un rendement quantique élevé. Les excellentes caractéristiques I-V du dispositif sont elles aussi attribuables à la pellicule de SiN stoechiométri
x que, qui procure un profil de diffusion Si-Zn net pour le confinement du courant dans la direction latérale, ainsi qu'une bonne isolation pour bloquer tout chemin de courant de conduction au-delà du contact ohmique.

Bien que l'on ait décrit l'invention en relation avec un mode de réalisation spécifique, on prévoit que l'homme de l'art pourra l'appliquer de diverses manières.

On considère que le cadre de l'invention englobe toutes ces modifications de l'utilisation fondamentale d'une pellicule de SiN à titre de masque pour réaliser un
x dispositif à semiconducteurs d'une manière alignée de façon multiple, en mettant en oeuvre la technique d'introduction de désordre par l'action d'impuretés.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1. Dispositif optoélectronique à semiconducteurs III-V comprenant : un premier contact ohmique (10); un substrat semiconducteur (1) disposé sur le premier contact; une couche de gaine inférieure (2) disposée sur le substrat; une couche active (3) disposée sur la couche de gaine inférieure; et une couche de gaine supérieure (4) disposée sur la couche active, caractérisé en ce que : une pellicule de SiN (6) est disposée sur la couche de gaine

x supérieure, cette pellicule ayant une fenêtre qui donne accès à la couche de gaine supérieure (4), pour la diffusion d'impuretés d'un premier type et d'un second type dans des régions sélectionnées (7) des couches active et de gaine, et ce dispositif ayant un second contact ohmique disposé dans la fenêtre dans la pellicule précitée.

2. Dispositif à semiconducteurs III-V selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impuretés du premier type qui sont diffusées à travers la fenêtre consistent en Si, ces impuretés consistant en Si désordonnant les régions sélectionnées de la couche active pour créer une hétérostructure enterrée.

3. Dispositif à semiconducteurs III-V selon la revendication 2, caractérisé en ce que les impuretés du second type qui sont diffusées à travers la fenêtre consistent en Zn, ces impuretés consistant en Zn corrigeant des jonctions pn parasites dans la couche de gaine supérieure, après la diffusion de Si.