FR2768556A1 - III-V semiconductor component with a highly lattice mismatched heterojunction - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les composants semiconducteurs à hétérojonction, plus particulièrement les composants utilisant la discontinuité de bande de conduction entre un matériau semiconducteur III-V binaire et un matériau semiconducteur III-V ternaire ou plus. The present invention relates to heterojunction semiconductor components, more particularly to components using the conduction band discontinuity between a binary III-V semiconductor material and a ternary III-V semiconductor material or more.
Le matériau III-V binaire de substrat, qui est le plus souvent de l'arséniure de gallium GaAs, est actuellement le matériau III-V binaire le plus répandu bien que d'autres composés, notamment InP et GaSb, puissent être également envisagés pour le substrat. The substrate III-V binary material, which is most commonly gallium arsenide GaAs, is currently the most widely used binary III-V material although other compounds, including InP and GaSb, may also be considered for the substrate.
Sur ce substrat sont déposées une ou plusieurs couches minces d'un matériau semiconducteur III-V qui est généralement ternaire, mais peut également être un alliage quaternaire ou même quinquénaire (tous ces alliages seront qualifiés globalement de "ternaires ou plus"). Cette couche active peut être constituée d'une ou plusieurs couches de matériaux ternaires ou plus présentant des compositions et/ou des fractions molaires différentes afin d'associer de manière avantageuse leurs propriétés électroniques différentes. Elle sera désignée par la suite sous le terme "couche mince" ou "couches minces". On this substrate are deposited one or more thin layers of a III-V semiconductor material which is generally ternary, but may also be a quaternary or even five-year-old alloy (all these alloys will be qualified globally as "ternary or more"). This active layer may consist of one or more layers of ternary materials or more having different compositions and / or mole fractions in order to advantageously associate their different electronic properties. It will be referred to hereafter as "thin film" or "thin film".
On peut par exemple associer ainsi une couche de substrat d'arséniure de gallium GaAs à plusieurs couches d'arséniure de gallium et aluminium Al Gal As (O < x < 1) afin de créer des zones à indices de réfraction différents constituant des cavités optiques permettant d'émettre de la lumière laser. On peut également associer une couche mince de GaAs non intentionnellement dopé à des couches Al Gal As intentionnellement dopées afin d'obtenir une structure dite "à gaz bidimensionnel d'électrons" de haute mobilité, pour réaliser des composants désignés TEGFETs (Two-dimensional Electron Gas Field Effect
Transistors) ou HEMTs (High Electron Mobility Transistors).For example, it is possible to associate a GaAs gallium arsenide substrate layer with several layers of gallium arsenide and aluminum Al GalAs (O <x <1) in order to create zones with different refractive indices constituting optical cavities. to emit laser light. It is also possible to associate a thin layer of unintentionally doped GaAs with intentionally doped Al-GalAs layers in order to obtain a so-called "two-dimensional electron gas" structure of high mobility, to produce components designated TEGFETs (Two-dimensional Electron Gas Field Effect
Transistors) or HEMTs (High Electron Mobility Transistors).
Lors de l'épitaxie de la couche mince sur le substrat, il est souhaitable que les paramètres de maille cristalline du matériau du substrat et du matériau que l'on épitaxie dessus soient les plus proches possibles (idéalement les mêmes). During the epitaxy of the thin layer on the substrate, it is desirable that the crystal lattice parameters of the substrate material and of the material which is epitaxied thereon are as close as possible (ideally the same).
A cet égard, comme on peut le voir par exemple sur le diagramme de la figure 1 qui donne, pour les différents alliages III-V utilisés, l'énergie de la bande interdite en fonction du paramètre de maille, GaAs et AlAs ont pratiquement même paramètre de maille (moins de 0,75 % d'écart), de sorte que les alliages ternaires Au gal As qui sont des alliages Allas + GaAs situés sur la ligne joignant le point MAs (x = 1) et le point GaAs (x = 0) - auront un paramètre de maille très proche de celle de GaAs et pratiquement indépendant de la teneur x en aluminium. C'est principalement en raison de cet excellent accord des mailles cristallines que les hétérojonctions AlxGal xAs/GaAs sont en pratique les plus fréquentes. In this respect, as can be seen for example in the diagram of FIG. 1 which gives, for the various III-V alloys used, the energy of the forbidden band as a function of the mesh parameter, GaAs and AlAs have practically mesh parameter (less than 0.75% gap), so that t Au Au alloys that are Allas + GaAs alloys located on the line joining point MAs (x = 1) and GaAs point (x = 0) - will have a mesh parameter very close to that of GaAs and practically independent of the x content of aluminum. It is mainly because of this excellent crystal bond that the AlxGal xAs / GaAs heterojunctions are in practice the most frequent.
Pour obtenir l'accord de maille, on peut également réaliser des alliages In Gal As PI~Z sur substrat InP, avec des valeurs bien choisies de y et z. Malgré les intérêts techniques des alliages en accord de paramètre de maille sur InP, le coût élevé et la fragilité mécanique de InP constituent des handicaps importants. De plus, les substrats InP ne sont aujourd'hui réalisés que dans des tailles plus réduites (75 mm de diamètre de tranche au plus, contre 100 mm et plus pour les substrats
GaAs), et avec un coût très élevé (trois à quatre fois plus chers que
GaAs) et une fragilité importante. Quant aux substrats de GaSb, ils sont encore de très faible taille, coûteux et sont loin d'atteindre le stade industriel.To obtain the mesh agreement, it is also possible to produce In Gal As PI ~ Z alloys on InP substrate, with well-chosen values of y and z. Despite the technical advantages of the InP mesh parameter alloys, the high cost and mechanical fragility of InP are major handicaps. In addition, InP substrates are nowadays only made in smaller sizes (75 mm in diameter at most, compared to 100 mm or more for substrates).
GaAs), and at a very high cost (three to four times more expensive than
GaAs) and significant fragility. As for the GaSb substrates, they are still very small, expensive and are far from reaching the industrial stage.
Ainsi, en pratique, on constate que GaAs est le substrat industriellement le plus intéressant compte tenu de son moindre coût, de sa robustesse et de la possibilité de l'obtenir en tranches de grand diamètre. Thus, in practice, it is found that GaAs is the industrially most interesting substrate given its lower cost, its robustness and the possibility of obtaining large diameter slices.
Toutefois, pour des applications d'électronique rapide et/ou d'optoélectronique, on souhaite pouvoir déposer sur GaAs des matériaux riches en indium et/ou en phosphore. However, for fast electronic and / or optoelectronic applications, it is desired to be able to deposit on GaAs materials rich in indium and / or phosphorus.
Il se pose alors le problème du désaccord de maille au moment de l'épitaxie. Then there is the problem of mesh cleavage at the moment of epitaxy.
Dans ce cas, lorsque la couche mince déposée n'a pas le même paramètre de maille que le substrat, elle subit une contrainte mécanique de tension ou de compression (selon que le paramètre de maille de la couche mince épitaxiée est inférieur ou supérieur à celui du substrat). In this case, when the deposited thin film does not have the same mesh parameter as the substrate, it undergoes a mechanical tension or compression stress (depending on whether the mesh parameter of the epitaxial thin film is lower or higher than that substrate).
Ces hétérostructures où la couche mince reste sous contrainte élastique, en compression ou en tension, sans apparition de dislocations d'interface, sont appelées "hétérostructures pseudomorphiques".These heterostructures where the thin film remains under elastic stress, in compression or in tension, without the appearance of interface dislocations, are called "pseudomorphic heterostructures".
Cette contrainte mécanique, lorsqu'elle dépasse les limites d'élasticité du matériau en couche mince, finit par rompre les liaisons atomi ques ; au relâchement de la contrainte, la couche mince relaxe plastiquement et il apparaît dans celle-ci des dislocations qui se constituent en réseau et se propagent dans la couche mince. This mechanical stress, when it exceeds the elasticity limits of the thin-film material, eventually breaks the atomic bonds; at the release of the stress, the thin layer plastically relaxes and there appear in it dislocations which constitute a network and propagate in the thin layer.
Ces dislocations et leurs propagations ont été décrites dans la littérature, par exemple par G H Holsen, "Interfacial Lattice Mismatch in III-V Compounds", Journal of Crystal Growth, 31 (1975): 223-239, ou encore par J C Harmand et coll., "Lattice-Mismatched Growth and
Transport Properties on InAlAs/InGaAs Heterostructures on GaAs
Substrates", Jap JofApp Phys, Vol. 28, nO 7 (1989): il 01-1103. Selon
Holsen, quand le désaccord de maille entre la couche mince épitaxiale et le substrat n'excède pas 2 % environ (et même au-delà selon Harmand et coll.), il se forme à la surface de la couche mince un réseau bien ordonné de microsillons donnant à la surface l'aspect d'un damier, appelé "cross-hatch" dans la technique. Ce réseau est d'aspect orthogonal quand la croissance de la couche mince épitaxiée est initiée sur un substrat de plan (100), il est plutôt d'aspect losangé à 60 quand la croissance est initiée sur un substrat de plan (111), la surface de la couche mince épitaxiée ayant, entre les microsillons, un aspect "miroir". These dislocations and their propagation have been described in the literature, for example by GH Holsen, "Interfacial Lattice Mismatch in III-V Compounds", Journal of Crystal Growth, 31 (1975): 223-239, or by JC Harmand et al. ., "Lattice-Mismatched Growth and
Transport Properties on InAlAs / InGaAs Heterostructures on GaAs
Substrates, Jap JofApp Phys, Vol 28, No. 7 (1989): 01-1103.
Holsen, when the mesh mismatch between the thin epitaxial layer and the substrate does not exceed about 2% (and even beyond according to Harmand et al.), A well-ordered network is formed on the surface of the thin layer. microgrooves giving the surface the appearance of a checkerboard, called "cross-hatch" in the art. This grating is orthogonal in appearance when the growth of the epitaxial thin film is initiated on a plane substrate (100), it is rather diamond-shaped at 60 when the growth is initiated on a plane substrate (111), the surface of the thin epitaxial layer having, between the microgrooves, a "mirror" appearance.
Lorsque le désaccord de maille entre la couche mince épitaxiée et le substrat excède 2 %, le réseau de cross-hatch disparaît pour faire place à une surface très rugueuse, qui pourrait être liée à des inhomogénéités d'alliages dans les couches minces. La surface est alors d'aspect tridimensionnel. D E Grider et coll., " Metamorphic InyGal yAs/InzAll zAs
Heterostructure Field Effect Transistors Grown on GaAs (001) Substrates Using Molecular-Beam Epitaxy", J Vac Sci Technol B, Vol. 8(2), mars/avril 1990 : 301-304, indiquent à cet égard que les dislocation se propagent en densité importante tout le long de la couche mince épitaxiale, y compris dans la partie active de l'hétérostructure, où la mobilité des électrons y chute de façon radicale du fait de cette forte densité de dislocations.When the mesh mismatch between the epitaxial thin layer and the substrate exceeds 2%, the cross-hatch network disappears to make way for a very rough surface, which could be related to inhomogeneities of alloys in the thin layers. The surface is then three-dimensional. DE Grider et al., "Metamorphic InyGal yAs / InzAll zAs
Field Effect Transistors Grown on GaAs (001) Substrates Using Molecular-Beam Epitaxy ™, J Vac Sci Technol B, Vol 8 (2), March / April 1990: 301-304, indicate in this regard that dislocation propagates into density throughout the thin epitaxial layer, including in the active part of the heterostructure, where the electron mobility drops radically due to this high density of dislocations.
La structure du matériau de la couche tampon est "métamorphique" en ce que le matériau est un matériau désadapté en maille qui a relaxé sur le plan plastique, à l'opposé d'une structure pseudomorphique, où le matériau est élastiquement déformé. Une telle structure métamorphique permet d'accommoder la désadaptation de paramètre de maille entre le substrat et la couche mince épitaxiee. The material structure of the buffer layer is "metamorphic" in that the material is a mismatched material that has relaxed plastically, in contrast to a pseudomorphic structure, where the material is elastically deformed. Such a metamorphic structure makes it possible to accommodate the mismatch parameter mismatch between the substrate and the thin epitaxial layer.
On a proposé d'intercaler entre le substrat et la couche mince une couche intermédiaire dite "couche tampon" ou "couche de sacrifice", par exemple une couche d'All tIntAs ou d'InuGa1 uAs entre un substrat de
GaAs et des couches minces de InxGai.xAs et AlyInl yAs. Cette couche tampon présente une teneur en indium t ou u qui varie graduellement, de façon continue ou par saut, depuis le substrat GaAs (où t ou u = 0) jusqu'aux couches minces épitaxiées (où t = y et u = x). Cette gradualité est un moyen d'emmagasiner de manière continue (ou par sauts) l'énergie de contrainte générée par le désaccord du paramètre de maille existant entre le substrat et les couches minces.It has been proposed to intercalate between the substrate and the thin layer an intermediate layer called a "buffer layer" or "sacrificial layer", for example a layer of All tIntAs or InuGa1 uAs between a substrate of
GaAs and thin layers of InxGai.xAs and AlyInl yAs. This buffer layer has an indium content t or u which varies gradually, continuously or by jump, from the GaAs substrate (where t or u = 0) to the epitaxial thin layers (where t = y and u = x) . This graduality is a means of continuously storing (or jumping) the strain energy generated by the disagreement of the mesh parameter existing between the substrate and the thin layers.
D'autres paramètres, tels que le choix des épaisseurs de la couche tampon, de l'ordre du micromètre, et de la température d'épitaxie sont ajustés pour minimiser l'impact des dislocations générées sur les couches minces supérieures. Other parameters, such as the choice of buffer layer thickness, micrometer order, and epitaxy temperature are adjusted to minimize the impact of dislocations generated on the upper thin layers.
Mais, dans tous les cas, on reste confronté à des problèmes de morphologie de surfaces très dégradée. But in all cases, we still face problems of surface morphology very degraded.
Comme on l'a indiqué plus haut, la présence de dislocations peut, dans certains cas, avoir une incidence sur le plan électrique, en réduisant la mobilité des électrons dans la partie active de l'hétérostructure. As mentioned above, the presence of dislocations can, in some cases, have an electrical impact, reducing the mobility of electrons in the active part of the heterostructure.
Mais le cross-hatch ou la rugosité présentent également l'inconvénient de perturber les systèmes de guidage optiques par laser des chaînes de fabrication automatisées, du fait du coefficient de réflexion fortement diminué, qui ne permet plus de réaliser le guidage automatique des machines de transfert. But the cross-hatch or roughness also have the disadvantage of disrupting laser optical guidance systems automated production lines, because of the greatly reduced reflection coefficient, which no longer allows for the automatic guidance of transfer machines .
Une morphologie de surface dégradée rend également difficile la réalisation de composants à effet de champ à grille submicronique. Le cross-hatch et la rugosité constituent de ce fait un obstacle à la recherche d'une densité d'intégration élevée. D'autre part le cross-hatch et la rugosité créent une surface perturbée rendant difficile la réalisation des composants électroniques. Degraded surface morphology also makes it difficult to produce submicron grid field effect components. Cross-hatch and roughness are therefore an obstacle to the search for a high integration density. On the other hand cross-hatch and roughness create a disturbed surface making it difficult to achieve electronic components.
L'invention propose un nouveau type de composant semiconducteur essentiellement dépourvu de cross-hatch et de rugosité de surface, qui permette de remédier à ces inconvénients alors que la couche épitaxiale est en fort désaccord de maille avec le substrat. The invention proposes a new type of semiconductor component essentially free of cross-hatch and surface roughness, which makes it possible to remedy these drawbacks while the epitaxial layer is in strong disagreement with the mesh.
On verra que l'invention permet en particulier la réalisation de composants de types très variés, avec des couches minces comportant des matériaux riches en indium et/ou en phosphore épitaxiées sur des substrats de GaAs, conservant donc les avantages de ce dernier type de substrat (moindre coût, robustesse, disponibilité en tranches de grand diamètre). It will be seen that the invention makes it possible in particular to produce components of very varied types, with thin layers comprising materials rich in indium and / or phosphorus epitaxially grown on GaAs substrates, thus retaining the advantages of this last type of substrate. (lower cost, robustness, availability in large diameter slices).
On verra en particulier, lorsqu'on examinera des exemples de composants réalisés selon l'invention, que l'on peut atteindre avec des composants sur substrat GaAs des performances équivalentes à celles que l'on obtiendrait avec des composants classiques sur substrat InP. It will be seen in particular, when examining examples of components made according to the invention, that one can achieve with components on GaAs substrate performance equivalent to that which would be obtained with conventional components on InP substrate.
En effet, dans les structures AlxInl xAs/In > Gal yAs pseudomorphiques sur substrat GaAs couramment utilisées, par exemple pour la réalisation de transistors HEMT ou de diodes laser à puits quantique, la teneur en indium y peut difficilement dépasser 30 %, en pratique 25 %, sous peine de voir apparaître des dislocations d'interface, l'hétérostructure perdant alors son caractère pseudomorphique. Indeed, in the GaAs GaAs substrates AlxInl xAs / In> Gal yAs structures commonly used, for example for producing HEMT transistors or quantum well laser diodes, the indium content can hardly exceed 30%, in practice 25 %, at the risk of seeing interface dislocations, the heterostructure then losing its pseudomorphic character.
Or les compositions avec des teneurs en indium supérieures à 30 % présentent des intérêts techniques certains, car on démontre que, pour une hétérostructure AlxInl xAs/InyGal yAs sur substrat GaAs, la combinaison optimale entre densité du gaz d'électrons bidimensionnel (donc densité de courant dans le transistor), vitesse de déplacement des électrons (donc rapidité du transistor) et tension de claquage du transistor (donc puissance admissible par le transistor) est atteinte pour une teneur en aluminium x d'environ 35 % et une teneur en indium y comprise entre 35 et 45 % (50 % si l'on souhaite maximiser la vitesse de déplacement des électrons dont dépend la tension de claquage). However, the compositions with indium contents greater than 30% have certain technical advantages, because it is demonstrated that, for an AlxInl xAs / InyGal yAs heterostructure on GaAs substrate, the optimal combination of the density of the two-dimensional electron gas (hence the density of current in the transistor), the electron displacement velocity (hence the speed of the transistor) and the breakdown voltage of the transistor (thus the permissible power of the transistor) is reached for an aluminum content x of about 35% and an indium content y between 35 and 45% (50% if it is desired to maximize the speed of displacement of the electrons on which the breakdown voltage depends).
De telles compositions sont impossibles à réaliser en structure pseudomorphique, et l'on était donc jusqu'à présent contraint soit de réduire les teneurs en aluminium et en indium, et donc limiter des performances, soit d'accepter la dégradation de l'état de surface (crosshatch ou rugosité élevée) avec, ici encore, des inconvénients corrélatifs. Such compositions are impossible to achieve in a pseudomorphic structure, and it was therefore up to now compelled either to reduce the contents of aluminum and indium, and thus to limit performance, or to accept the degradation of the state of surface (crosshatch or high roughness) with, again, consequential disadvantages.
Ces problèmes de dégradation de surface n'ont jusqu'à présent pas permis de dépasser le stade du laboratoire (cf. M Chertouk et coll., "Metamorphic InAlAs/InGaAs HEMTs on GaAs Substrates with Composite Channels and f of 350 GHz", IPMR '95, 9-13 mai, Japon, Yang et coll. "Enhanced Device Performance by Unstrained InO 3Ga0 7As/ InO 29A10 71As Doped-Channel FET on GaAs Substrates, IEEE Electron
Device Letters, Vol. 17, n 8, août 1996, Win et coll. "High-Performance InO 3GaO 7As/Ino 29Alo 7lAs/GaAs Metamorphic High-Ele ctron-Mobility
Transistor", Jpn. J. Appui. Phys., Vol 33 (1994): 3343-3347).These surface degradation problems have so far failed to overcome the laboratory stage (see M. Chertouk et al., "Metamorphic InAlAs / InGaAs HEMTs on GaAs Substrates with Composite Channels and f of 350 GHz", IPMR '95, May 9-13, Japan, Yang et al. "Enhanced Device Performance by Unstrained InO 3Ga0 7As / InO 29A10 71As Doped-Channel FET on GaAs Substrates, IEEE Electron
Device Letters, Vol. 17, No. 8, August 1996, Win et al. High-Performance InO 3GaO 7As / Ino 29Alo 7lAs / Metamorphic GaAs High-E ctron-Mobility
Transistor, Jpn J. Phys., Vol 33 (1994): 3343-3347).
Pour s'affranchir de ces limitations, l'invention propose plus précisément d'utiliser entre couches minces et substrat une couche tampon intercalaire d'adaptation du paramètre de maille, cette couche tampon étant de structure métamorphique et les couches minces épitaxiées é- tant essentiellement dépourvues de réseau de cross-hatch et présentant une très faible rugosité de surface, que l'on peut définir comme in férieure à 2 nm, notamment une rugosité inférieure à 1,5 nm, très avantageusement une rugosité inférieure à 1 nm. In order to overcome these limitations, the invention more precisely proposes using between thin layers and substrate an intermediate buffer layer for adapting the mesh parameter, this buffer layer being of metamorphic structure and the epitaxial thin layers essentially being lacking a cross-hatch grating and having a very low surface roughness, which can be defined as less than 2 nm, in particular a roughness of less than 1.5 nm, very advantageously a roughness of less than 1 nm.
En particulier, la couche tampon peut être un alliage III-V antimoniure binaire ou ternaire, ou un alliage III-V antimoniure-arséniure ternaire au moins. La couche tampon peut être une couche graduée dont la composition varie progressivement avec l'épaisseur depuis la couche de substrat jusqu'à la couche mince épitaxiale. In particular, the buffer layer may be a III-V antimonide binary or ternary alloy, or a III-V antimonide-ternary arsenide at least. The buffer layer may be a graded layer whose composition gradually varies with the thickness from the substrate layer to the thin epitaxial layer.
L'invention s'applique tout particulièrement à la réalisation d'une hétérostructure GaAs/AlxIn1-xAs/InyGa1-yAs avec une fraction molaire d'indium y > 25 %, ou GaAs/Al1-xGaxAs1-Sby/GaAs1-zSbz. The invention is particularly applicable to the production of a GaAs / AlxIn1-xAs / InyGa1-yAs heterostructure with a mole fraction of indium y> 25%, or GaAs / Al1-xGaxAs1-Sby / GaAs1-zSbz.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés. Other features and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below, made with reference to the accompanying drawings.
La figure 1, précitée, est un diagramme donnant l'énergie de la bande interdite et le paramètre de réseau des différents composés semiconducteurs III-V. FIG. 1, above, is a diagram giving the energy of the forbidden band and the lattice parameter of the various III-V semiconductor compounds.
La figure 2 montre le réseau de cross-hatch des composants réalisés selon les procédés de l'art antérieur, vu de dessus au microscope optique à contraste de phase. FIG. 2 shows the cross-hatch network of the components made according to the methods of the prior art, viewed from above using a phase-contrast optical microscope.
La figure 3 montre la morphologie de surface de ce réseau de crosshatch, vue au microscope à force atomique. Figure 3 shows the surface morphology of this crosshatch lattice, seen under an atomic force microscope.
La figure 4 montre, à titre de référence, la morphologie de surface d'une couche épitaxiée en accord de maille avec le substrat, vue au microscope à force atomique. FIG. 4 shows, by way of a reference, the surface morphology of an epitaxial layer meshed with the substrate, seen under an atomic force microscope.
La figure 5 montre la morphologie de surface de couches minces épitaxiales en désaccord de maille selon les enseignements de l'invention, vue au microscope à force atomique.. FIG. 5 shows the surface morphology of epitaxial thin layers in mesh disagreement according to the teachings of the invention, seen under an atomic force microscope.
La figure 6 montre ces mêmes couches, vue de dessus au microscope optique à contraste de phase. FIG. 6 shows these same layers, viewed from above using a phase-contrast optical microscope.
La figure 7 est une caractéristique donnant la densité du gaz d'électrons bidimensionnel en fonction de la teneur en indium de la couche mince épitaxiée, dans un composant réalisé selon les enseignements de l'invention. FIG. 7 is a characteristic giving the density of the two-dimensional electron gas as a function of the indium content of the thin epitaxial layer, in a component produced according to the teachings of the invention.
La figure 8 est un diagramme montrant la mobilité électronique du gaz d'électrons bidimensionnel en fonction de la teneur en indium de la couche mince épitaxiée, dans un composant réalisé selon les enseignements de l'invention. FIG. 8 is a diagram showing the electron mobility of the two-dimensional electron gas as a function of the indium content of the epitaxial thin film, in a component produced according to the teachings of the invention.
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Sur la figure 1, que l'on a déjà évoquée plus haut, les composés binaires se situent aux points mentionnés, tandis que les composés ternaires se situent, en fonction de leur composition, sur les lignes reliant deux composés binaires (les lignes en trait plein correspondant aux composés à bande interdite directe et celles en tiretés aux composés à bande interdite indirecte), les composés quaternaires étant situés dans les aires délimitées par les quatre composés binaires correspondants.#
In FIG. 1, which has already been mentioned above, the binary compounds are at the points mentioned, whereas the ternary compounds are, depending on their composition, on the lines connecting two binary compounds (the dashed lines full corresponding to direct bandgap compounds and those in dashed to indirect bandgap compounds), the quaternary compounds being located in the areas delimited by the four corresponding binary compounds.
Si l'on prend l'exemple courant d'une structure In Gal As sur substrat GaAs, plus la teneur en indium de la couche mince est élevée, plus on se rapproche du point InAs sur la courbe joignant GaAs à InAs, et plus le désaccord de maille entre ce point et GaAs sera élevé. Si l'on souhaite garder une structure pseudomorphique, présentant donc un bon état de surface, on est obligé de se limiter à une teneur en indium de 30 % (en pratique 25 %). Au-dessous de 25 % d'indium, on reste dans les limites élastiques du matériau, et l'on peut réaliser les structures pseudomorphiques présentant des bonnes propriétés à la fois électriques et mécaniques, ce qui n'est pas le cas lorsque la teneur en indium dépasse 25-30 % : des dislocations apparaissent, la structure perd son caractère pseudomorphique et le cross-hatch apparaît. Taking the current example of an In Gal As structure on a GaAs substrate, the higher the indium content of the thin layer, the closer we get to the InAs point on the GaAs to InAs curve, and the higher the mesh discrepancy between this point and GaAs will be high. If one wishes to keep a pseudomorphic structure, thus having a good surface state, one is obliged to limit oneself to an indium content of 30% (in practice 25%). Below 25% of indium, one remains in the elastic limits of the material, and one can realize the pseudomorphic structures having good properties both electrical and mechanical, which is not the case when the content in indium exceeds 25-30%: dislocations appear, the structure loses its pseudomorphic character and the cross-hatch appears.
La figure 2 montre le réseau de dislocations que l'on obtient, dans ces conditions avec une hétérostructure In Gal As/ACInlyAs à 35 % d'indium épitaxiée sur un substrat GaAs (100), vu de dessus au microscope optique à contraste de phase avec un grossissement x 200. FIG. 2 shows the dislocation network that is obtained, under these conditions, with an In Gal As / ACInlyAs heterostructure at 35% indium epitaxially grown on a GaAs substrate (100), seen from above using a phase contrast optical microscope with a magnification x 200.
La figure 3 montre ce même réseau de cross-hatch en surface de la couche mince épitaxiale, vu par microscopie à force atomique le long de l'un des axes, qui fait apparaitre des sillons dont la largeur est de l'ordre du micromètre, séparés entre eux d'une distance de l'ordre du micromètre également, et de 3,5 nm de profondeur. FIG. 3 shows this same cross-hatch network at the surface of the epitaxial thin layer, seen by atomic force microscopy along one of the axes, which reveals furrows whose width is of the order of one micrometer, separated from each other by a distance of about one micrometer as well, and 3.5 nm deep.
Cette rugosité très importante est à comparer à celle, beaucoup plus faible (de l'ordre de 0,5 nm) que l'on obtient lorsque la couche mince épitaxiée est en accord de paramètre de maille avec le substrat, par exemple une couche AlxGal xAs sur substrat GaAs, comme on peut le voir sur la figure 4 (on notera en outre que l'échelle verticale selon z a été agrandie sur cette figure 4 par rapport à la figure 3, pour mettre en évidence la très faible rugosité). This very large roughness is to be compared with that, much weaker (of the order of 0.5 nm) that is obtained when the thin epitaxial layer is in mesh parameter agreement with the substrate, for example an AlxGal layer. xAs on a GaAs substrate, as can be seen in FIG. 4 (it will be further noted that the vertical scale according to z has been enlarged in this FIG. 4 with respect to FIG. 3, to highlight the very low roughness).
Selon l'invention, on épitaxie entre le substrat et les couches minces constituant les hétérostructures non contraintes un tampon d'accommodation spécifique constitué d'une ou plusieurs couches. According to the invention, the epitaxy between the substrate and the thin layers constituting the unconstrained heterostructures a specific accommodation buffer consisting of one or more layers.
Dans la suite, on décrira le procédé sur substrat GaAs, car il s'agit d'un matériau très aisé à obtenir et qui, en appliquant les enseignements de l'invention, permet d'obtenir d'excellentes performances. Toutefois, on pourrait également appliquer l'invention à un substrat InP ou
GaSb, malgré le moindre intérêt commercial d'un tel choix.In the following, the method will be described on GaAs substrate, because it is a very easy material to obtain and which, by applying the teachings of the invention, provides excellent performance. However, the invention could also be applied to an InP substrate or
GaSb, despite the slightest commercial interest of such a choice.
Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, le tampon d'accommodation est constitué d'une ou plusieurs couches ayant relaxé plastiquement (présentant donc une structure métamorphique) d'un alliage quaternaire M AlxGal xAsl ySby, de type III-III-V-V, c'est-à-dire constitué de deux éléments III (le gallium et l'aluminium) et de deux éléments V (l'arsenic et l'antimoine). Une telle couche tampon, que l'on peut donc définir comme étant un tampon métamorphique d'un alliage antimoniure-arséniure quaternaire, permet d'accommoder la désadaptation du paramètre de maille entre le substrat GaAs et les couches minces épi taxiées, par ajustement des teneurs y en antimoine et x en aluminium. In an advantageous embodiment, the accommodation buffer consists of one or more layers having plastically relaxed (thus having a metamorphic structure) of a quaternary alloy M AlxGal xAsl ySby, type III-III-VV, that is to say consisting of two elements III (gallium and aluminum) and two elements V (arsenic and antimony). Such a buffer layer, which can therefore be defined as being a metamorphic buffer of a quasternary antimonide-arsenide alloy, makes it possible to accommodate the mismatch of the mesh parameter between the GaAs substrate and the epi taxed thin layers, by adjusting the y contents of antimony and x aluminum.
Ce choix n'est cependant pas limitatif, et l'invention s'applique également à l'utilisation de couches tampon réalisées à partir d'alliages antimoniure-arséniure ternaires tels que GaAsl USbu ou AlAs1 tSbt, ou d'alliages antimoniure binaires tels que GaSb, AlSb et InSb, ou ternaires tels que AlxGal XSb, ainsi qu'à toutes les combinaisons de couches qu'il est possible de réaliser entre ces différents alliages. This choice is however not limiting, and the invention is also applicable to the use of buffer layers made from ternary antimonide-arsenide alloys such as GaAsl USbu or AlAs1 tSbt, or binary antimonide alloys such as GaSb, AlSb and InSb, or ternary such as AlxGal XSb, as well as all the combinations of layers that can be achieved between these different alloys.
Avantageusement, mais non nécessairement, la ou les couches constituant le tampon d'accommodation peuvent présenter une certaine gradualité de composition, par exemple, dans le cas de l'alliage quaternaire AlxGal xAsl ySby, les teneurs x en aluminium et y en antimoine (et donc 1-x en gallium et 1-y en arsenic) peuvent varier entre la couche de substrat et les couches minces épitaxiées, soit de façon continue soit par sauts. Advantageously, but not necessarily, the layer or layers constituting the accommodation buffer may have a certain gradual composition, for example, in the case of the AlxGal xAsl ySby quaternary alloy, the x aluminum and antimony contents (and therefore 1-x gallium and 1-y arsenic) can vary between the substrate layer and the epitaxial thin layers, either continuously or by jumps.
Quant aux couches minces constituant l'hétérostructure, elles peuvent être constituées de toutes les combinaisons de matériaux III-V connues, notamment d'alliages ternaires et quaternaires, arséniures tels que AlyInl yAs, InxGal xAs et (Ak1Ga1-u)1-zInzAs, phosphures tels que yInyPX InxGal xP et (AluGa1-u)1-zInzP ainsi que d'alliages ternaires, quaternaires et mêmes quinquénaires combinant à la fois phosphures et arséniures tels que (AluGa1-u)1-zInzAs1-tPt), ainsi qu'antimoniures tels que Al1-xGaxAs1-ySby ou GaAs1-ySby. As for the thin layers constituting the heterostructure, they may consist of all combinations of known III-V materials, especially ternary and quaternary alloys, arsenides such as AlyInI yAs, InxGal xAs and (Ak1Ga1-u) 1 -ZInzAs, phosphides such as yInyPX InxGal xP and (AluGa1-u) 1-zInzP as well as ternary, quaternary and even five-year-old alloys combining both phosphides and arsenides such as (AluGa1-u) 1-zInzAs1-tPt), as well as antimonides such as Al1-xGaxAs1-ySby or GaAs1-ySby.
La figure 5 montre l'aspect de surface d'un composant comportant des couches minces en désaccord de maille, épitaxiées conformément au procédé de l'invention. Ce composant présente une rugosité de surface de l'ordre de 0,8 nm, très proche de celle d'un composant où les couches minces sont en accord de maille (comparer avec la figure 4). Figure 5 shows the surface appearance of a component comprising thin mesh-disaggregated layers epitaxially grown in accordance with the process of the invention. This component has a surface roughness of the order of 0.8 nm, very close to that of a component where the thin layers are in mesh agreement (compare with Figure 4).
La figure 6 est une vue de dessus, au microscope optique à contraste de phase avec un grossissement x 200, montrant l'absence totale de cross-hatch (comparer a contrarjo avec la vue de la figure 2). FIG. 6 is a top view, using a phase contrast optical microscope with a magnification x 200, showing the total absence of cross-hatch (compare a contrarjo with the view of FIG. 2).
Les figures 7 et 8 montrent les performances électriques, respectivement la densité du gaz d'électrons bidimensionnel et sa mobilité électronique, mesurées par effet Hall, en fonction de la teneur en indium u sur différents échantillons de couches minces InxGa1-xAs/AlyIn1-yAs épitaxiées sur substrat GaAs avec un fort désaccord de maille (u pou vant aller jusqu'à près de 60 %). FIGS. 7 and 8 show the electrical performances, respectively the two-dimensional electron gas density and its electron mobility, measured by the Hall effect, as a function of the indium content u on various InxGa1-xAs / AlyIn1-yAs thin-film samples. epitaxially grown on a GaAs substrate with a strong mismatch (up to almost 60%).
Ces figures montrent d'excellentes performances électriques obtenues grâce à l'invention, pour des composants que l'on ne savait aujourd'hui réaliser qu'avec un état de surface très dégradé, cross-hatch ou très forte rugosité. On voit notamment que, grâce à la présente invention, on peut réaliser sur substrat GaAs des composants ayant des propriétés de transport électronique élevées qui avoisinent, voire qui dépassent, celles atteintes par l'état de l'art des hétérostructures en épitaxie sur substrat InP, en s'affranchissant donc de tous les inconvénients liés à ce matériau de technologie difficile. These figures show excellent electrical performance obtained thanks to the invention, for components that we could now realize that with a very degraded surface condition, cross-hatch or very high roughness. In particular, it can be seen that, thanks to the present invention, it is possible to produce components having high electron transport properties on a GaAs substrate which are close to, or even beyond, those reached by the state of the art of the InP substrate epitaxial heterostructures. , thus freeing all the disadvantages associated with this difficult technology material.
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