FR2895571A1 - Procede de realisation d'une jonction pn electroluminescente en materiau semi-conducteur par collage moleculaire - Google Patents

Abstract

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

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UNE JONCTION PN ELECTROLUMINESCENTE EN MATERIAU

SEMI-CONDUCTEUR PAR COLLAGE MOLECULAIRE

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative à un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente en matériau semi-conducteur à bande interdite indirecte par collage moléculaire. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans l'industrie microélectronique. Du point de vue du coût de fabrication et de la maturité 15 technologique ce serait le substrat le plus avantageux pour réaliser des circuits optoélectroniques. Malheureusement le silicium massif (connu sous la dénomination anglo-saxonne de bulk) monocristallin est un émetteur de lumière peu efficace à cause de sa bande 20 interdite indirecte. On rappelle que la bande interdite ou gap d'un matériau correspond à la différence d'énergie entre sa bande de conduction et sa bande de valence. Les électrons dans la bande de conduction et les trous dans la bande de valence ont une énergie qui 25 dépend de leur vecteur d'onde. On repère ainsi le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction. Lorsque le minimum de la bande de conduction possède le même vecteur d'onde que le maximum de la bande de valence, la bande interdite est 10 dite directe, et elle est dite indirecte dans le cas contraire. Les semi-conducteurs à bande interdite directe sont donc, d'une manière générale, plus adaptés que les autres pour les applications optoélectroniques.

En effet, les dispositifs électroluminescents émettent à une longueur d'onde qui est déterminée par leur largeur de bande interdite. En conclusion, le silicium et les autres matériaux semi-conducteurs à bande interdite indirecte comme le germanium, peuvent difficilement être utilisés comme source de lumière intégrée. Pour le silicium, la lumière est émise à une seule longueur d'onde de 1150 nanomètres qui se trouve dans la partie infra rouge du spectre électromagnétique de la lumière. Le silicium massif a de plus une efficacité de photoluminescence ou rendement quantique interne inférieure à 0,01%. Différentes approches ont été envisagées pour améliorer les propriétés de luminescence du silicium, et/ou pour le faire émettre dans la partie visible du spectre électromagnétique de la lumière, comme les nano-cristaux de silicium, les super-réseaux Si/SiO2r le silicium poreux, le silicium dopé à l'erbium. Le silicium poreux a une structure de bande interdite légèrement différente de celle du silicium massif due au confinement quantique présent dans de telles structures. Les dispositifs électroluminescents les plus efficaces, émettant à la longueur d'onde qui correspond à la largeur de bande interdite du silicium ont été observés sur des dispositifs à boucle de dislocations comme décrit dans le document [1] dont les références se trouvent en fin de description. Il s'agit de diodes électroluminescentes réalisées par implantation d'un dopant de type P tel du bore dans un substrat de type N. Cette implantation induit des dislocations dans le cristal de silicium et un recuit à environ 1000 C permet de former un réseau de boucles de dislocations. Ces boucles de dislocations génèrent un champ de contraintes localisé qui modifie localement la structure de bande électronique du cristal et permet ainsi un confinement spatial des porteurs électroniques. C'est ce confinement spatial qui permet d'obtenir de l'électroluminescence à la longueur d'onde qui correspond à la largeur de la bande interdite du silicium, à température ambiante, avec un rendement quantique interne proche de 0,1%. Toutefois la méthode d'obtention des boucles de dislocations par implantation ionique présente des limites d'une part à cause de la taille minimale des boucles de dislocation, leur diamètre est compris entre environ 80 et 100 nanomètres et d'autre part à cause de leur densité, leur espacement étant d'au moins 20 nanomètres. Ces dimensions limitent l'intégration des composants fabriqués avec des matériaux ayant ces dislocations. Dans d'autres techniques, les boucles de dislocations sont obtenues par déformation plastique du cristal avant le dopage, par exemple par compression. Le document [2] dont les références se trouvent en fin de description illustre ce mode de réalisation. Ces dislocations, en formant des puits quantiques dans le cristal ou en se comportant comme des pièges pour, par exemple, des précipités d'oxyde comme on le verra plus loin, permettent l'émission de lumière à des longueurs d'ondes supérieures à celle correspondant à la largeur de bande interdite du silicium massif et en particulier aux environs de 1150 à 1600 nanomètres.

Mais la méthode de fabrication de diodes ayant des dislocations obtenues par déformation plastique du cristal est difficilement compatible avec la technologie d'intégration à ultra haute échelle standard (connue sous l'acronyme anglo-saxon de ULSI pour ultra-large-scale integration) employée en microélectronique. Cette technologie ULSI permet d'obtenir des puces ayant plus d'un million de composants. Ces diodes obtenues par déformation plastique présentent des formes et des densités de dislocations difficilement contrôlables. Il est alors difficile d'envisager de les intégrer ensuite dans des dispositifs microélectroniques et/ou photoniques nécessitant des planéités et des états d'interfaces très bien contrôlés et reproductibles.

Les dislocations agissent aussi comme des pièges pour des précipités d'oxyde de silicium, ces derniers se formant lors de la diffusion d'oxygène résiduel du cristal lors d'une étape de recuit à haute température. Il a été observé que ces précipités peuvent permettre l'émission de lumière à des longueurs d'ondes supérieures à celle correspondant au gap du silicium. En outre des diodes à jonction PN ont été réalisées par collage moléculaire de deux plaquettes de silicium monocristallin présentant un réseau de dislocations dû à un angle d'inclinaison résultant entre les axes verticaux des réseaux cristallins des deux plaquettes. Cet angle est connu aussi sous la dénomination angle de flexion ou angle de tilt ou de miscut . Cet angle de flexion est pratiquement inévitable lorsque l'on assemble entre elles les deux plaquettes. De l'électroluminescence entre 1400 et 1600 nanomètres a été observée dans un cryostat à des températures basses de l'ordre 77 K. Mais la température est encore beaucoup trop basse pour une utilisation courante. De plus, il est très difficile de contrôler le pas des dislocation et donc leur densité ce qui ne permet pas d'optimiser l'efficacité de la jonction PN et de réaliser des jonctions PN reproductibles. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de proposer un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente en matériau semi-conducteur à bande 20 interdite indirecte ne présentant pas les limitations et difficultés ci-dessus. En particulier un but de la présente invention est d'améliorer l'efficacité et la reproductibilité de réalisation d'une telle jonction PN 25 électroluminescente. Un autre but de l'invention est de réaliser une telle jonction PN apte à émettre à une longueur d'onde correspondant à la largeur de bande interdite du matériau qui la constitue mais aussi à une ou plusieurs 30 autres longueurs d'ondes.15 Encore un autre but de l'invention est de réaliser une telle jonction PN apte à émettre à température ambiante. Un but supplémentaire de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'une telle jonction PN compatible avec les technologies de la microélectronique. Pour atteindre ces buts l'invention concerne plus précisément un procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente consistant en un collage moléculaire d'une face en matériau semi-conducteur cristallin dopé d'un premier type d'un premier élément avec une face en matériau semi-conducteur cristallin dopé d'un second type opposé au premier type d'un second élément. Le matériau semi-conducteur des éléments possède une bande interdite indirecte. Le collage s'effectue en décalant en rotation d'un angle prédéterminé les réseaux cristallins présentés par les dites faces, de manière à au moins provoquer la formation d'un réseau de dislocations de type vis à l'interface de collage. La formation du réseau de dislocations de type vis, grâce au collage moléculaire, permet d'atteindre les buts recherchés.

Le procédé peut comporter une étape ultérieure de recuit thermique sous atmosphère neutre ou passivante . Par atmosphère neutre, on entend une atmosphère inerte vis-à-vis du matériau à coller, comme par exemple le vide, une atmosphère d'azote ou d'argon.

Par atmosphère passivante , on entend une atmosphère de tout gaz n'empêchant pas le collage moléculaire et la formation du réseau de dislocations, comme par exemple d'hydrogène, de gaz formique constitué d'hydrogène dans de l'azote ou d'ammoniaque NH3. En variante, le procédé peut comporter une étape ultérieure de traitement à une température inférieure ou égale à 500 C sous vide, dans le cas d'un collage moléculaire sous vide, pour renforcer le collage moléculaire et éliminer d'éventuels défauts. Il est préférable, pour obtenir une bonne qualité du collage, de prévoir une étape de nettoyage chimique des faces avant le collage, notamment dans le cas où le collage s'effectue sous pression atmosphérique. Un nettoyage thermique peut s'ajouter ou se substituer à une étape de nettoyage chimique dans le cas d'un collage moléculaire réalisé sous vide. Ce nettoyage thermique peut être par exemple un recuit haute température sous hydrogène des deux faces avant le collage.

Dans le même but, il est préférable de prévoir une étape de désoxydation des faces entre l'étape de nettoyage et l'étape de collage moléculaire proprement dit. L'un des éléments au moins peut être un 25 bloc de matériau semi-conducteur massif. En variante, moins coûteuse, l'un des éléments au moins peut être un film d'un substrat composite formé d'un empilement dans lequel le film est en surface. 30 Le substrat composite est avantageusement un substrat semi-conducteur sur isolant.

L'un des éléments au moins peut être dopé dans la masse ou en variante peut être dopé en surface. Il se peut que le collage se fasse en introduisant un angle de flexion entre les deux faces de manière à provoquer un réseau de dislocations de type coin à l'interface de collage en plus du réseau de dislocations de type vis. Le matériau semiconducteur des éléments peut être du silicium mais également du germanium, du 10 silicium germanium. Pour optimiser l'efficacité, on ajuste l'angle de décalage en rotation afin d'induire un réseau de dislocations de type vis ayant un pas aussi petit que possible mais non nul. La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'une diode électroluminescente dans lequel on réalise une électroluminescente par le procédé des jonction PN revendications et dans lequel on forme sur chaque élément électrique sur une face opposée à celle collée. Lorsque l'un des éléments au moins est un film d'un substrat composite, on peut réaliser, avant la formation de son contact électrique, une gravure du 25 substrat composite pour mettre à jour la face devant porter le contact électrique. La présente invention concerne également une jonction PN électroluminescente qui comporte deux éléments cristallins semi-conducteurs dopés de type 30 opposé, ces éléments semi-conducteurs ayant une bande interdite indirecte et étant assemblés l'un à l'autre précédentes un contact devant être 15 20 par collage moléculaire. Elle comporte en outre au moins un réseau de dislocations de type vis à l'interface de collage. Elle peut comporter de plus un réseau de dislocations de type coin à l'interface de collage, ce qui la rend plus performante. La présente invention concerne également une diode électroluminescente qui comporte une jonction PN ainsi caractérisée, chaque élément étant pourvu d'un contact électrique à l'opposé de l'interface de collage. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : Les figures 1A à 1D différentes étapes de réalisation d'un exemple d'une jonction PN électroluminescente puis d'un exemple d'une diode électroluminescente selon l'invention ; Les figures 2A à 2C montrent un autre exemple d'étapes de réalisation d'une jonction PN électroluminescente et d'une diode électroluminescente selon l'invention ; Les figures 3A à 3D sont des graphiques représentant l'intensité du signal émis par diverses diodes selon l'invention ou de l'art antérieur en fonction de la longueur d'onde du signal émis.

Les différentes variantes représentées aux figures 1 et 2 doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On va maintenant décrire un exemple de procédé de réalisation d'une jonction PN électroluminescente objet de l'invention puis d'une diode dotée de cette jonction PN en se référant aux figures 1A à 1D. On part de deux éléments 10, 20 en matériau semi-conducteur cristallin présentant chacun une face 1, 2 de collage comme illustré sur la figure 1A. Ce matériau semi-conducteur possède une bande interdite indirecte, ce peut être par exemple du silicium monocristallin mais d'autres matériaux semi-conducteurs cristallins peuvent être employés comme notamment le germanium, le silicium germanium ou tout semi-conducteur à bande interdite indirecte. Les deux éléments 10, 20 peuvent être des cristaux massifs et épais de matériau semi-conducteur comme illustré sur les figures 1 ou être des films comme illustré sur les figures 2. Par film, on entend une couche dont l'épaisseur est inférieure à environ un micromètre. Le matériau de l'une des faces 1 présente un type de dopage, par exemple N et le matériau de l'autre face 2 présente le type opposé, par exemple P. Le dopage peut être dans la masse, il a pu être réalisé lors du tirage du cristal ou bien être en surface, il a pu être obtenu par exemple par implantation de dopant. Le dopant peut être par exemple du bore dans l'élément 10 dopé P et du phosphore dans l'élément 20 dopé N. On suppose que dans l'exemple des figures 1, le dopage est en surface et qu'il est dans la masse dans l'exemple des figures 2. Les zones dopées sont référencées 20.1 et 10.1 sur la figure 1A.

L'inverse serait possible ou l'un des éléments 1, 2 pourrait présenter un dopage dans la masse et l'autre un dopage superficiel. Le taux de dopage peut être compris entre 1016 et quelques 1020 ions/cm3 sachant que le champ électrique interne de la jonction PN dépendra du taux de dopage de chaque zone N ou P comme dans une diode PN classique. Pour réaliser la jonction PN, on va mettre en contact une face 1 en matériau semi-conducteur cristallin du premier élément 10 avec une face 2 en matériau semi-conducteur cristallin du second élément 20 de façon que les réseaux cristallins présentés par lesdites faces 1, 2 soient décalés en rotation d'un angle prédéterminé. Cet angle de décalage en rotation est connu sous la dénomination anglo-saxonne d'angle de twist . Cet angle de twist est matérialisé sur la figure 1B par les flèches. Sur cette figure sont aussi visibles les trois axes cristallins de l'un des éléments 1, 2. Cette mise en contact s'effectue avec collage moléculaire. Une telle opération doit se faire avec des surfaces suffisamment lisses et aussi exemptes que possible de contamination. Il est communément admis que tout collage moléculaire implique une étape de nettoyage puis généralement une étape de désoxydation des faces à coller, ces étapes étant préalables au collage mettant en oeuvre l'adhésion moléculaire. Les deux éléments 10, 20 doivent être maintenus suffisamment rapprochés pour permettre d'initier un contact intime. Des forces attractives entre les faces 1, 2 mises en contact apparaissent et provoquent le collage moléculaire. Ce collage moléculaire peut être réalisé à température ambiante et pression atmosphérique. On prévoit donc un nettoyage préalable des deux faces 1, 2 pour permettre cette adhésion moléculaire. Ce nettoyage connu de l'homme de l'art peut consister, notamment lorsque le collage s'effectue sous pression atmosphérique, en un nettoyage chimique par immersion dans un ou plusieurs bains chimiques par exemple à base d'acide chlorhydrique HC1, d'acide nitrique HNO3, d'acide sulfurique H2SO4, d'eau oxygénée H2O2r d'ammoniaque NH3, de mélange CARO (H2SO4 : H20), d'eau régale, en un nettoyage RCA SC1 (NH4OH : H2O2 : H2O) ou SC2 (H2O2 : HC1 : H2O) . Ce traitement peut se terminer par un traitement de désoxydation réalisé habituellement par hydrogénation des liaisons pendantes à la surface à l'aide d'acide fluorhydrique HF sous forme de liquide ou de vapeur. Lorsque l'on réalise un collage silicium/silicium sans couche d'oxyde en surface, on parle de collage hydrophobe. Dans le cas d'un collage oxyde/oxyde on parle de collage hydrophile. Dans le procédé de l'invention, il s'agira de préférence d'un collage hydrophobe. Le collage moléculaire peut également s'effectuer sous vide. On peut prévoir une étape de nettoyage thermique et/ou une étape de nettoyage chimique au préalable. Le nettoyage thermique peut être un recuit à haute température (typiquement supérieure à 1 100 C) sous hydrogène des faces à assembler réalisé avant le collage. Le nettoyage chimique peut être similaire à celui évoqué plus haut. Le collage moléculaire sous vide s'effectue après désoxydation préalable des deux faces 1, 2 à coller soit thermiquement sous vide, soit par tout autre méthode de désoxydation. Cette technique est connue de l'homme de l'art. Le renforcement des énergies de collage et du réseau de dislocations ordonnées à l'interface peut être obtenu par la mise en oeuvre d'un traitement thermique par exemple à une température supérieure à environ 500 C sous atmosphère neutre par exemple sous vide ou sous atmosphère d'azote, d'argon ou de tout autre gaz inerte vis à vis du matériau à coller. En variante, ce traitement thermique peut être effectué sous atmosphère passivante par exemple sous hydrogène, sous hydrogène dans de l'azote, sous gaz formique, sous ammoniaque NH3, ou tout autre gaz n'empêchant pas le collage ni la formation du réseau de dislocations. La durée du traitement thermique sera fonction de sa température, il sera limité à quelques heures afin de ne pas laisser trop diffuser les dopants. Ce recuit, dit recuit de scellement, a pour but de renforcer le collage moléculaire et la formation du réseau de dislocations à l'interface de collage, d'éliminer d'éventuels défauts à l'interface ou de permettre la formation d'éventuels précipités, par exemple d'oxyde, au niveau de l'interface de collage soit au niveau de la jonction PN. Ainsi la majorité des liaisons entre les deux faces 1, 2 sera des liaisons covalentes. Ce traitement vise à éliminer des défauts présents à l'interface de collage 3, tels des bulles. Si le collage moléculaire a été effectué sous vide, au lieu de procéder à un traitement à haute température, il est possible de procéder à un traitement thermique ultérieur à basse température, inférieure à environ 500 C par exemple et sous vide. La figure 1C montre la structure obtenue après le collage. En raison de l'angle de twist un réseau de dislocations 4 de type vis est induit au niveau de l'interface de collage 3 et donc de la jonction PN. Cette dernière a une efficacité améliorée notamment à température ambiante et est apte à émettre à la longueur d'onde correspondant à la largeur de bande interdite du silicium mais aussi à au moins une autre longueur d'onde, comme on le verra ultérieurement en observant les graphiques des figures 3. Dans cet exemple, l'autre longueur d'onde est supérieure à celle correspondant à la bande interdite du silicium. En effet, on sait que la désorientation angulaire en rotation lors du collage moléculaire de deux plaquettes cristallines induit, au niveau de l'interface de collage, un réseau périodique carré de dislocations de type vis dont le pas dépend de l'angle de twist . On peut se référer à l'article [4] dont les références se trouvent en fin de description.

Ce réseau de dislocations de type vis permet de modifier localement la largeur de la bande interdite de la jonction PN. Il induit tout d'abord un champ de contraintes spatiales localisé permettant d'augmenter le confinement des porteurs électroniques au niveau de la jonction PN, de bloquer leur diffusion et d'améliorer l'efficacité et le rendement quantique interne de la jonction notamment par rapport à ceux d'une jonction sans dislocation. Par cette méthode de collage, on peut maîtriser le pas du réseau de dislocations de type vis et donc la densité de dislocations, puisque ce pas dépend de l'angle de twist et que l'on peut ajuster avec grande précision cet angle de twist . Il est ainsi possible d'optimiser la densité des dislocations qui conditionne l'émission et le rendement quantique interne de la jonction PN obtenue. L'article référencé [4] décrit une méthode pour introduire un angle de twist voulu, avec une grande précision, par exemple de l'ordre du centième de degré, lors de l'assemblage. Les deux éléments sont prélevés dans même bloc de matériau semi-conducteur cristallin, ce dernier étant pourvu de marques de repérage pouvant prendre la forme d'échelles graduées en arc de cercle. Les deux éléments prélevés porteront ces marques de repérage. En alignant les marques de repérage avec introduction d'un décalage relatif, on peut obtenir l'angle de twist souhaité. Ainsi, un angle de twist de 20 donne un pas de dislocations vis d'environ 1 nanomètre. Si les deux éléments ne sont pas issus d'un même bloc cristallin, il est également possible d'ajuster avec grande précision l'angle de twist mais il faut déterminer au moins un axe du réseau cristallin de chacun des éléments. Cela peut se faire à l'aide de rayons X par exemple.

Dans le document [3], l'électroluminescence n'a été observée que sur des échantillons présentant uniquement une désorientation de flexion, c'est çà dire un angle de tilt . En effet, lors de l'assemblage par collage moléculaire, on cherche en général à ne pas introduire d'angle de twist de manière à ce que les réseaux cristallins coïncident le plus possible sachant que l'angle de tilt est pratiquement inévitable sauf dans le cas de surfaces jumelles obtenues par le procédé smart-cut (marque déposée).

Enfin, les dislocations situées à l'interface de collage et donc au niveau de la jonction peuvent aussi permettre la formation de puits quantiques , à cause de l'émission à plus basse énergie que le gap, constitués par les dislocations (émission vers 1,5-1,6 micromètre des raies de luminescence des dislocations, en dessous de l'énergie du gap du silicium) ou par les précipités d'oxydes pouvant se former au niveau des dislocations lors du recuit de scellement comme enseigné dans le document [5] dont les références sont données en fin de description. Ces puits quantiques modifient localement les niveaux énergétiques du matériau employé et permettent une émission de lumière à des niveaux d'énergie plus faibles que ceux correspondant à la largeur de bande interdite du matériau cristallin employé. Cela signifie que la lumière émise aura une longueur d'onde différente et dans ce cas supérieure à celle correspondant à la largeur de bande interdite du matériau cristallin employé. La relation qui lie l'énergie et la longueur d'onde est : Énergie (en eV) X longueur d'onde (en A) 12410 Lors de l'assemblage de deux éléments quelconques, il se produit inévitablement comme on l'a vu plus haut, une désorientation de flexion. Cet angle de tilt induit quant à lui un second réseau de dislocations de type coin au niveau de l'interface 3 dont le pas dépend directement de cet angle de tilt mais aussi de l'angle de twist . On suppose que ce réseau de dislocations de type coin est présent dans l'exemple illustré aux figures 1, mais qu'il se superpose avec le réseau de dislocations de type vis, c'est pourquoi il n'est pas visible. L'introduction de ce second réseau de dislocations de type coin ne peut que renforcer l'électroluminescence de la jonction notamment à température ambiante.

Si les deux éléments sont prélevés dans un même bloc cristallin, par exemple par fracture, et qu'ils sont assemblés au niveau de la fracture, l'angle de tilt est nul. La jonction PN obtenue peut être utilisée notamment dans des circuits intégrés ou dans des diodes. Pour obtenir une diode électroluminescente à partir de la jonction PN obtenue précédemment, il suffit de réaliser des contacts électriques 11, 21, chacun sur un des éléments assemblés 10, 20, à l'opposé de l'interface de collage 3. Ces contacts électriques sont référencés 11 et 21 sur la figure 1D. Ces contacts électriques 11, 21 peuvent être réalisés par pulvérisation de métal et éventuellement recuit thermique. Ils peuvent recouvrir en totalité la face de l'élément 1, 2 qui est opposée à celle assemblée ou être délimités sur cette face. Ces contacts électriques 11, 21 peuvent être de type ohmique ou de type schottky. Les contacts électriques 11, 21 peuvent être réalisés par exemple à base de titane, d'aluminium, de nickel, d'or, de tungstène. Les contacts seront de type ohmique ou schottky selon le type et le taux de dopage du semi-conducteur ainsi que la nature du métal employé (niveau de Fermi du métal/semi-conducteur). Par exemple un dépôt d'or sur du silicium de type N ou un dépôt d'aluminium sur du silicium de type P est généralement ohmique après retrait préalable de l'oxyde en surface du silicium avant le dépôt du métal. Par contre un dépôt d'aluminium sur du silicium dopé de type N avec un taux de dopage inférieur à 5.1019 ions/cm3 est de type schottky.

Ces contacts électriques 11, 21 permettent l'établissement de courant à travers la diode et l'injection de porteurs électroniques dans la jonction PN à réseau de dislocations pour qu'elle émette de la lumière. On va voir maintenant un autre exemple de jonction PN selon l'invention en se référant à la figure 2A. Au lieu que les deux éléments soient des cristaux massifs et épais, il peut s'agir de deux films 103, 203 faisant partie chacun d'un substrat composite 100, 200. On suppose que les deux films 103, 203 sont dopés massivement et plus seulement superficiellement. Un tel substrat composite 100, 200 peut être formé d'un empilement de plusieurs couches incluant le film en surface. L'empilement peut comporter successivement un support 101, 201 généralement en matériau semi-conducteur, une couche en matériau diélectrique 102, 202 et un film 103, 203 en matériau semi-conducteur cristallin. Il peut s'agir d'un substrat de type semi- conducteur sur isolant et plus précisément de type silicium sur isolant (connu sous l'acronyme anglo-saxon SOI pour silicon on insulator) ou d'un substrat germanium sur isolant (connu sous l'acronyme anglo-saxon GOI ou GeOI pour germanium on insulator).

L'assemblage et les traitements avant et après assemblage se feront commedécrit précédemment aux figures 1. L'intérêt de ces substrats SOI ou autres se situe en terme d'applications pour l'optique comme par exemple la réalisation de cristaux photoniques, ou pour la microélectronique.

Pour réaliser les contacts électriques 11, 21, on va mettre à nu, de préférence partiellement, pour chaque élément, une face opposée à celle qui est assemblée du film 103, 203. Les zones mises à nue 104, 204 peuvent être obtenues par gravure chimique du silicium par exemple à l'aide de solutions de KOH OU TMAH. Cette gravure chimique peut être complétée par des techniques de gravures plasma pour la couche diélectrique en oxyde de silicium ou des mélanges d'acide fluorhydrique. Cette gravure chimique se fait à partir des supports 101, 201 des substrats composites 100, 200 à travers la couche diélectrique 102, 202. Les contacts électriques 11, 21 recouvrent les zones mises à nu 104, 204. Ils peuvent être réalisés comme décrit précédemment par exemple par une pulvérisation localisée. On va maintenant s'intéresser à des graphiques illustrant l'intensité de la lumière émise par des diodes selon l'invention en fonction de la longueur d'onde pour différentes températures et différents angles de twist en se référant aux figures 3A à 3D. Sur la figure 3A, les mesures ont été faites à 300 K (température ambiante) avec des jonctions PN en silicium selon l'invention. Des jonctions PN présentant des angles de twist de 2 , 20 , 45 ont été testées. L'angle de tilt n'est pas connu et il peut être nul mais cela est peu probable. On a également testé une jonction PN, obtenue par collage moléculaire, présentant un angle de twist nul mais un présentant un angle de tilt donné et faisant donc partie de l'art antérieur. Ces angles de twist induisent respectivement pour les collages avec angle de twist de 0 , 2 et 20 , un réseau périodique de dislocations de type vis au pas de 100 nm, 10 nm et 1 nm. Le collage avec un angle de twist de 0 présente toujours une désorientation extrêmement faible induisant un réseau de twist avec un pas de l'ordre de 100 nm, voire plus grand, comparable à celui généralement observé pour des dislocations dues à l'angle de tilt . On s'aperçoit que plus le pas est petit (mais non nul) plus l'intensité du signal est forte. La courbe correspondant à l'angle de twist de 20 degrés, présente des pics fortement marqués à la longueur d'onde correspondant à la largeur de bande du silicium (1150 nm) mais aussi aux alentours de 1550 nm. L'efficacité de l'électroluminescence est incontestablement améliorée par rapport à l'art antérieur. L'échantillon de l'art antérieur n'émet un signal qu'à la longueur d'onde correspondant à la largeur de bande interdite du silicium, soit aux alentours de 1150 nm. En l'absence de réseau de dislocations, c'est-à-dire dans le cas de l'angle de twist de 45 , le signal émis est sensiblement nul. Sur la figure 3B, les mesures ont été faites à 80 K (basse température) avec des jonctions PN en silicium selon l'invention et conventionnelle. Elles présentant des angles de twist de 2 , 20 et un angle de twist proche de 0 ou nul pour la jonction conventionnelle. Ces angles induisent respectivement un réseau périodique de dislocations de type vis au pas de 10 nm pour l'angle de twist de 2 , 1 nm pour l'angle de twist de 20 et 100 nm pour l'angle de twist nul. Pour la jonction PN conventionnelle, l'angle de tilt induit un réseau de dislocations de type coin ainsi qu'un réseau de dislocations de type vis de pas au minimum d'une centaine de nanomètres, dû à l'imperfection d'alignement des deux éléments. En effet dans la pratique, il reste généralement un léger désalignement angulaire car il est difficile de parfaitement aligner les deux réseaux cristallins avec une précision inférieure à 0,01 comme évoqué dans le document [ 4 ] . Ici encore, plus le pas est petit plus l'intensité du signal est forte. Le pic le plus intense est obtenu dans ce cas, dans la bande 1400 nm à 1600 nm et plus particulièrement aux alentours de 1500 nm. Cette longueur d'onde est différente et supérieure à celle qui correspond à la largeur de bande interdite du silicium. L'autre pic se trouve aux alentours de 1150 nanomètres. La figure 3C permet de comparer les résultats obtenus sur les figures 3A et 3B pour la jonction selon l'invention présentant le pas le plus petit et donc la densité de dislocations la plus forte. L'augmentation de l'intensité lumineuse obtenue aux alentours de 1500 nm à 80 K par rapport à celle obtenue à 300 K permet de déduire que des puits quantiques sont présents dans la jonction PN testée à 80 K.

Sur la figure 3D, on a comparé, à température ambiante 300 K, l'intensité du signal d'une 23

jonction PN de l'invention par rapport à celle délivrée par une jonction PN conventionnelle. Les deux jonctions sont des jonctions au silicium. La jonction PN de l'invention, obtenue par collage, présente un angle de twist de 20 et on lui a injecté une puissance de 0,156 W. La jonction PN conventionnelle, également obtenue par collage, présente un angle de twist nul. On lui a injecté une puissance de 2,2 W. Les deux éléments de ces jonctions ont été traités à l'acide fluorhydrique liquide avant assemblage. La comparaison s'effectue à la longueur d'onde correspondant à la largeur de bande interdite du silicium. On peut en déduire, compte tenu des puissances injectées, que la jonction PN selon l'invention est quarante fois plus efficace que celle conventionnelle. Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, il est possible que l'un des éléments soit un bloc de matériau semi-conducteur massif et que l'autre élément soit un film.

DOCUMENTS CITES

[1] "An efficient room-temperature silicon-based light- emitting diode" Wai Lek Ng et al., Nature, vol. 410, 8 March 2001, pages 192-194.

[2] "Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence" V. Kveder et al., Applied Physics Letter, volume 84, Number 12, 22 March 2004, pages 2106-2108.

[3] "Electroluminescence from silicon P-N junctions prepared by wafer bonding", Einar â. Sveinbjôrnsson et al. Electrochemical Society Proceedings, September 1, 2002, vol.97-36, pages 264-271.

[4] "Accurate control of the misorientation angles in direct wafer bonding" Frank Fournel et al. Applied Physics Letters, volume 80, number 5, 4 February 2002, pages 793-795.

[5] "Optical properties of oxygen precipitates and dislocations in silicon" S. Binetti et al. Journal of Applied Physics, volume 92, number 5, 1 September 2002, pages 2437-2445.

Claims (21)

REVENDICATIONS

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

2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape ultérieure de recuit thermique, sous atmosphère neutre ou passivante, apte à renforcer le collage moléculaire et éliminer des défauts à l'interface (3) de collage.

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le collage est réalisé sous vide, le procédé comprenant une étape ultérieure de traitement à une température inférieure ou égale à 500 C sous vide, apte à renforcer le collage moléculaire et éliminer des défauts.30

4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le collage moléculaire est réalisé à pression atmosphérique, le procédé comprenant une étape de nettoyage chimique des faces (1, 2), préalable au collage moléculaire.

5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le collage moléculaire est réalisé sous vide, le procédé comprenant une étape de nettoyage chimique et/ou thermique sous vide des faces (1, 2) préalable au collage moléculaire.

6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, comprenant une étape de désoxydation des faces (1, 2) entre l'étape de nettoyage et l'étape de collage.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'un des éléments (10, 20) au moins est un bloc de matériau semi-conducteur massif.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'un des éléments (103, 203) au moins est un film d'un substrat composite (100, 200) formé d'un empilement dans lequel le film est en surface.

9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le substrat composite (100, 200) est un substrat semi-conducteur sur isolant.

10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'un des éléments (103, 203) au moins est dopé dans la masse.

11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'un des éléments (10, 20) au moins est dopé en surface.

12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le collage se fait en introduisant un angle de flexion entre les deux faces (1, 2) de manière à provoquer un réseau de dislocations de type coin à l'interface (4) de collage en plus du réseau de dislocations de type vis.

13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau semi-conducteur est du silicium, du germanium, du silicium germanium.

14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on ajuste l'angle de décalage en rotation afin d'induire un réseau de dislocations (4) de type vis ayant un pas aussi petit que possible mais non nul.

15. Procédé de réalisation d'une diode électroluminescente dans lequel on réalise une jonction PN électroluminescente par le procédé des revendications 1 à 14, et on forme sur chaque élément un contact électrique (11, 21) sur une face opposée à celle devant être collée.

16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel, lorsque l'un des éléments (103, 203) au moins est un film d'un substrat composite (100, 200), on réalise, avant la formation de son contact électrique (11, 21), une gravure du substrat composite (100, 200) pour mettre à jour la face devant porter le contact électrique (11, 21).

17. Jonction PN électroluminescente, comportant deux éléments (10, 20) cristallins semi-conducteurs dopés de type opposé, assemblés l'un à l'autre par collage moléculaire, le semi-conducteur possédant une bande interdite indirecte, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un réseau de dislocations (4) de type vis à l'interface (3) de collage.

18. Jonction PN selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus un réseau de dislocations de type coin à l'interface (3) de collage.

19. Diode électroluminescente, caractérisée en ce qu'elle comporte une jonction PN selon l'une des revendications précédentes, chaque élément (10,

20) étant pourvu d'un contact électrique (11,

21) à l'opposé de l'interface (3) de collage.