FR2929445A1 - Procede de fabrication d'une couche de nitrure de gallium ou de nitrure de gallium et d'aluminium - Google Patents

Procede de fabrication d'une couche de nitrure de gallium ou de nitrure de gallium et d'aluminium Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une couche (5) monocristalline, sans craquelure, en nitrure de composition AlxGa1-xN, où 0 <= x <= 0,3, sur un substrat (1) susceptible d'engendrer dans celle-ci des contraintes extensives, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :a) formation, sur le substrat (1), d'une couche de nucléation (2)b) formation, sur la couche de nucléation (2), d'une couche intermédiaire (3) monocristallinec) formation, sur la couche intermédiaire (3), d'une couche germe (4) monocristallined) formation, sur la couche germe (4), de la couche (5) monocristalline de nitrure AlxGa1-xN,Ce procédé se caractérise en ce que :- le matériau de la couche intermédiaire (3) est du nitrure d'aluminium et de gallium ;- le matériau de la couche germe (4) est un composé AIBN dans lequel la teneur en bore est comprise entre 0 et 10% ;- le ratio entre l'épaisseur de la couche germe (4) et l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est compris entre 0,05 et 1 ;- la température de formation de la couche germe (4) est supérieure de 50 à 150 degres C à la température de formation de ladite couche (5) monocristalline, sans craquelure de nitrure AlxGa1-xN.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Cette invention se place dans le domaine de la formation de couches monocristallines de nitrure de composition AIXGa1_XN, où x est compris entre 0 et 0,3, planes et sans craquelure sur des substrats susceptibles d'engendrer une contrainte extensive dans la couche de nitrure. Ces structures sont ensuite utilisées dans des applications en électronique, optique, opto-électronique, ou photovoltaïque pour former des composants photovoltaïques, des diodes électroluminescentes, des diodes Schottky, des lasers, des détecteurs optiques, des MEMS (acronyme de Micro-Electro-Mechanical System ), des redresseurs et des transistors à effet de champ tel que des HEMT (acronyme de High Electron Mobility Transistor ) ou MOS (acronyme de Metal-Oxyde-Semiconducteur Transistor ).
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'homo-épitaxie du nitrure de gallium (GaN) n'est pas réalisable à ce jour en raison de l'absence de substrats natifs de GaN. Il est donc nécessaire, pour faire croître des couches de GaN, de recourir à l'hétéro-épitaxie c'est-à-dire la croissance sur un substrat de nature différente. A cet effet, des substrats tels que le silicium ou le carbure de silicium sont particulièrement appréciables en raison de leur faible différence de paramètre de maille avec le GaN. Toutefois, de tels substrats présentent l'inconvénient de présenter un coefficient de dilatation thermique (CTE) sensiblement inférieur à celui du nitrure de gallium, de sorte que, lors du refroidissement postérieur à l'épitaxie, des contraintes extensives sont générées dans la couche de nitrure de gallium. Plus l'épaisseur de la couche de nitrure de gallium est élevée, plus les contraintes sont importantes. Lorsque les contraintes dépassent un certain seuil, le 3o matériau a tendance à se relaxer en formant des craquelures.
Les craquelures sont des endommagements macroscopiques de la couche, i.e. des discontinuités qui apparaissent à la surface de la couche, rendant celle-ci inutilisable pour la fabrication de dispositifs électroniques. On connaît du document WO 01/95380 un procédé de fabrication d'une couche monocristalline, sans craquelure, de nitrure de gallium sur un substrat susceptible de générer des contraintes extensives dans la couche. En référence à la figure 1, ce procédé consiste à former successivement sur le substrat 10 : - une couche 20 de nucléation ou couche tampon - une première couche 30 de GaN - une couche 40 dite intercalaire, monocristalline, d'un matériau dont le paramètre de maille est plus petit que celui du nitrure de gallium, et présentant une épaisseur comprise entre 100 et 300 nm - la couche épaisse 50 de GaN.
La fonction de la couche intercalaire 40 est d'être une couche germe pour la croissance du nitrure de gallium. Le nitrure de gallium se conforme en effet au paramètre de maille du matériau de la couche sur laquelle il est formé. Du fait de son paramètre de maille inférieur, la couche intercalaire 40 impose, à la température de dépôt, une contrainte compressive dans la couche de nitrure de gallium 50 sus-jacente. Cette contrainte compressive compense la contrainte extensive générée dans le GaN lors du refroidissement, due à la différence de coefficient de dilatation thermique entre le GaN et le substrat. Selon l'art antérieur, la couche intercalaire 40 doit présenter une bonne qualité cristalline pour permettre l'épitaxie d'une couche de GaN de bonne qualité et contrainte. Pour que le GaN ne se relaxe pas à l'interface, il importe en effet que l'interface entre la couche intercalaire et la couche de GaN soit parfaitement lisse. Ce procédé permet ainsi de fabriquer des couches dont l'épaisseur peut à ce jour atteindre 3 pm environ sur un substrat de silicium.
Toutefois, l'épaisseur sur laquelle on peut faire croître le GaN reste limitée car lors de la croissance celui-ci se relaxe partiellement par formation de dislocations.
Au-delà d'une certaine épaisseur, la couche de GaN est donc à nouveau en tension et susceptible de craquer lors du refroidissement. Un premier but de l'invention est donc de permettre la formation de couches de nitrure de gallium encore plus épaisses que celles réalisables dans l'art antérieur.
Typiquement, on cherche à obtenir des couches d'une épaisseur supérieure à 2 pm, pouvant atteindre 7 pm ou plus, sans craquelure et avec de préférence un taux de dislocation inférieur à 5.109 cm-2. Par ailleurs, plus l'épaisseur de la couche augmente, plus on observe une courbure concave de la surface supérieure de la structure. La contrainte en tension dans la couche de GaN induit en effet une déformation concave du substrat en silicium. Ce phénomène est d'autant plus sensible que le diamètre de la plaque est grand. Or, cette absence de planéité est un problème qui peut s'avérer rédhibitoire pour les processus technologiques ultérieurs de fabrication de composants électroniques ou optoélectroniques.
Un autre but de l'invention est donc d'améliorer la planéité de la couche de nitrure de gallium épaisse formée.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une couche monocristalline, sans craquelure, en nitrure de composition AIXGa1_XN, où 0 x 0,3, sur un substrat susceptible d'engendrer dans celle-ci des contraintes extensives, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) formation, sur le substrat, d'une couche de nucléation b) formation, sur la couche de nucléation, d'une couche intermédiaire 25 monocristalline c) formation, sur la couche intermédiaire, d'une couche germe monocristalline d) formation, sur la couche germe, de la couche monocristalline de nitrure Al Ga1_XN. Ce procédé se caractérise en ce que : 30 ù le matériau de la couche intermédiaire est du nitrure d'aluminium et de gallium ; le matériau de la couche germe est un composé AIBN dans lequel la teneur en bore est comprise entre 0 et 10% ; le ratio entre l'épaisseur de la couche germe et l'épaisseur de la couche intermédiaire est compris entre 0,05 et 1 ; la température de formation de la couche germe est supérieure de 50 à 150°C à la température de formation de ladite couche monocristalline, sans craquelure de nitrure Al Ga1_XN. L'épaisseur de la couche monocristalline, sans craquelure, de nitrure Al Ga1_XN peut ainsi être comprise entre 800 nm et 7 micromètres.
Selon d'autres caractéristiques particulièrement avantageuses de l'invention : - l'épaisseur de la couche intermédiaire est supérieure ou égale à 250 nm ; - la couche intermédiaire présente un taux d'aluminium compris entre 1 et 35%, de préférence entre 6% et 30% ; - le substrat est en silicium, en diamant ou en carbure de silicium ; - le ratio entre l'épaisseur de la couche germe et l'épaisseur de la couche intermédiaire est compris entre 0,2 et 0,35 ; - l'épaisseur de la couche germe est comprise entre 30 et 250 nm ; - la température de formation de la couche germe par épitaxie par jets moléculaires est supérieure de 80°C à la température de formation de la couche monocristalline, sans craquelure de nitrure. Un autre objet concerne une structure comprenant une couche monocristalline sans craquelure, de nitrure de composition Al Ga,_XN, où 0 x 0,3, et un substrat susceptible d'engendrer dans celle-ci des contraintes extensives, ladite structure comprenant successivement : ledit substrat ; une couche de nucléation ; une couche intermédiaire monocristalline ; une couche germe monocristalline ; ladite couche monocristalline de nitrure, Cette structure se caractérise en ce que : - la couche germe est un composé AIBN, dans lequel la teneur en bore est comprise entre 0 et 10% ; ù la couche germe présente un taux de relaxation, à température ambiante, inférieur à 80%.
L'épaisseur de la couche monocristalline, sans craquelure, de nitrure Al Ga1_XN peut alors être comprise entre 800 nm et 7 micromètres. Selon d'autres caractéristiques préférées de l'invention : - la couche intermédiaire est en nitrure d'aluminium et de gallium et présente une teneur en aluminium comprise entre 1 et 35%, de préférence entre 6 et 30% ; - le ratio entre l'épaisseur de la couche germe et l'épaisseur de la couche intermédiaire est compris entre 0,05 et 1, de préférence entre 0,2 et 0,35 ; - l'épaisseur de la couche intermédiaire est supérieure ou égale à 250 nm ; - l'épaisseur de la couche germe est comprise entre 30 et 250 nm ; - le substrat est en silicium, en diamant ou en carbure de silicium ; - le taux de relaxation à température ambiante de la couche germe est compris entre 50 et 75%. Selon un mode particulier de réalisation, la couche monocristalline, sans craquelure, de nitrure comprend 3 à 5% d'aluminium et ladite structure comprend successivement, sur ladite couche : une couche canal en GaN d'une épaisseur de 5 à 100 nm, et une couche barrière dans un matériau choisi parmi l'AIGaN, l'AIInN et le BGaN. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, ladite structure comprend successivement, sur la couche monocristalline, sans craquelure, de nitrure : - une couche canal de ScN, et - une couche barrière dans un matériau choisi parmi l'AIGaN, l'AIInN et le BGaN. Selon une autre variante, la couche monocristalline, sans craquelure, est en nitrure de gallium et ladite structure comprend, sur ladite couche, une couche barrière dans un matériau choisi parmi l'AIGaN, l'AIInN et le BgaN.
L'invention concerne également un dispositif tel qu'un composant photovoltaïque, une diode électroluminescente, une diode Schottky, un laser, un détecteur optique, ou un MEMS, comprenant la structure qui vient d'être décrite. Enfin, l'invention porte aussi sur un transistor à effet de champ qui comprend la structure décrite plus haut.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une structure comprenant une couche sans craquelure de nitrure de gallium conforme à l'art antérieur, - la figure 2 illustre de manière schématique une structure conforme à l'invention, - la figure 3 représente un dispositif électronique construit à partir de la structure de l'invention - la figure 4 illustre une autre configuration de dispositif électronique conforme à l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On va maintenant décrire en détail le procédé de fabrication d'une structure comprenant une couche monocristalline, sans craquelure, de nitrure de gallium, sur un substrat susceptible de générer des contraintes extensives.
Les étapes de formation des différentes couches monocristallines constituant cette structure sont mises en oeuvre par épitaxie. Dans ce texte, on entend donc par dépôt ou croissance la formation d'une couche monocristalline par épitaxie. On précise que l'invention s'applique à toutes les techniques d'épitaxie, telles que l'épitaxie par jets moléculaires (EJM), l'épitaxie en phase vapeur aux organo- métalliques (EPVOM), ou encore les techniques connues sous les acronymes anglo- saxons de LPCVD (pour Low Pressure Chemical Vapor Deposition ) ou HVPE ( Hydride Vapour Phase Epitaxy ), qui sont bien connues de l'homme du métier. On utilise un substrat 1 dans un matériau monocristallin susceptible d'occasionner des contraintes extensives dans la couche de GaN, tel que par exemple du silicium, du diamant ou du carbure de silicium. Sur ce substrat 1, on forme une couche 2 de nucléation dans un matériau dont le paramètre de maille est intermédiaire entre celui du substrat et celui du GaN. De manière particulièrement avantageuse, la couche de nucléation est en AIN dont l'épaisseur est de l'ordre de 40 nm. En raison de la différence de paramètre de maille avec le matériau du substrat, cette couche ne présente pas une grande qualité cristalline. On fait ensuite croître, sur la couche 2 de nucléation, une couche 3 monocristalline, dite couche intermédiaire . On fait ensuite croître, sur la couche intermédiaire 3, une couche germe 4 monocristalline. Le matériau de la couche germe est typiquement de l'AIN. Enfin, on fait croître la couche 5 monocristalline de nitrure de gallium, sur une épaisseur pouvant varier de 100 nm à 7 micromètres et de préférence de 800 nm à 7 micromètres. Pendant ces différentes étapes de croissance, la structure peut rester dans le même bâti d'épitaxie, dans lequel on modifie les paramètres (nature des espèces, température) en fonction du matériau à faire croître. Néanmoins, il est possible de procéder aux épitaxies des différents matériaux dans plusieurs équipements selon les besoins. Il est envisageable de former la couche 2 de nucléation par le dépôt de plusieurs couches de différents matériaux. Il est aussi avantageux par exemple de former une couche qui comporte une composition graduelle pour permettre une évolution du paramètre de maille entre le paramètre de maille du support et celui du matériau de la couche intermédiaire 3 sus jacente. Ceci permet un plus faible désaccord de maille avec le matériau de la couche intermédiaire 3 qui pourra être plus épaisse et ainsi d'une meilleure qualité cristalline.
Le matériau de la couche intermédiaire 3 est typiquement un alliage ternaire AIGaN, qui permet d'induire une compression de la couche germe 4, dans lequel la proportion d'aluminium est comprise entre 1 et 35%, de préférence supérieure à 6% et/ou inférieure à 30%.
La teneur maximale d'aluminium préférée dans la couche intermédiaire 3 d'AIGaN est issue d'un compromis entre l'homogénéité cristalline souhaitée du matériau (i.e. une teneur en aluminium et en gallium identique en tout point) et de sa température de dépôt pour une bonne cristallinité. En effet, plus la teneur en aluminium de la couche intermédiaire 3 est élevée, plus la température de dépôt doit être élevée (en comparaison avec la température de dépôt d'une couche de GaN sans aluminium) et se rapprocher de la température de dépôt de l'AIN qui est un matériau très réfractaire (la température généralement utilisée pour le dépôt d'AIN est de l'ordre de 1350°C). Mais la présence de l'élément gallium qui est très volatile ne permet pas d'atteindre des températures si élevées sans risquer de s'évaporer. Ainsi, pour maintenir une homogénéité cristalline suffisante et une température de dépôt appropriée à une bonne cristallinité, la teneur en aluminium est de préférence inférieure à 35%. Pour l'obtention d'une très bonne qualité cristalline, la teneur en aluminium doit se situer aux alentours de 20% dans l'état actuel de la technique. L'épaisseur de la couche intermédiaire 3 est de préférence supérieure à 250 nm. Avec un substrat 1 de silicium, une couche 2 de nucléation d'AIN, l'épaisseur de la couche intermédiaire 3 d'AIGaN pourra atteindre 600 nm. En revanche, au delà d'une épaisseur de 600 nm, la contrainte imposée par la différence de CTE entre le substrat 1 et la couche 3 intermédiaire est telle qu'elle risque de provoquer la fissuration de la couche intermédiaire au refroidissement de la structure. Avec un substrat 1 de SiC qui induit une contrainte moindre dans la couche intermédiaire 3 d'AIGaN et doté d'une couche 2 de nucléation en AIN, la couche 3 peut atteindre 2 micromètres sans génération de fissures.
Les effets de la couche intermédiaire 3 d'AIGaN sont multiples.
En premier lieu, son paramètre de maille est proche û plus proche que ne l'est le paramètre de maille du GaN employé dans l'art antérieur û de celui de l'AIN de la couche de nucléation 2 sous-jacente et de l'AIN de la couche germe 4 sus-jacente. Cette faible différence de paramètre de maille permet de réduire la quantité de dislocations dans cette couche. En outre, la présence d'aluminium renforce la couche intermédiaire 3, en particulier lorsque la teneur en aluminium est supérieure 6%, qui résiste mieux que le GaN à la rétro-contrainte imposée par la couche germe 4 d'AIN. En effet, le GaN est fragile à haute température et tend à se décomposer par exo-diffusion du gallium sous l'effet de la contrainte imposée par l'AIN sus-jacent. La conséquence du point précédent est que l'on peut augmenter la température de dépôt de la couche germe 4 sans dégrader la couche intermédiaire 3 ce qui permet d'obtenir une meilleure qualité cristalline du matériau de la couche germe 4. La température de dépôt de cette couche germe 4 est tout de même limitée par la température à laquelle le substrat se dégrade. Dans le cas du silicium, la température limite se situe aux alentours de 1300°C. Enfin, lorsque l'épaisseur de la couche intermédiaire 3 est de plus de 250 nm, elle permet d'atteindre une meilleure qualité cristalline à la surface sur laquelle va être déposée la couche germe 4, car elle permet aux dislocations de se rejoindre et de s'annihiler. Il en résulte une interface AIGaN / AIN plus lisse ce qui favorise une croissance pseudomorphique de l'AIN. La probabilité d'une croissance 3D (c'est-à-dire sous forme d'îlots), synonyme de relaxation, est réduite par rapport à une interface rugueuse qui offre plus de liberté aux atomes pour se réarranger et former un cristal relaxé.
Inversement, une épaisseur de couche intermédiaire 3 inférieure à 250 nm ne permet pas d'atteindre une cristallinité suffisante pour obtenir une interface lisse, ce qui conduit à une forte défectivité dans le matériau de la couche 4 germe. Les couches 3 et 4 doivent respecter un ratio entre l'épaisseur de la couche germe 4 et l'épaisseur de la couche intermédiaire 3 compris entre 0,05 et 1, de préférence entre 0,2 et 0,35. 2929445 i0 Ce rapport d'épaisseur de couches est nécessaire pour le maintien d'une bonne contrainte dans la couche 4 germe. On comprend en effet aisément que la couche intermédiaire 3 doit avoir une épaisseur en rapport avec celle de la couche 4 germe pour imposer une contrainte à celle-ci. 5 L'épaisseur de la couche germe 4 est de préférence comprise entre 30 et 250 nm. Par ailleurs, la température de dépôt de la couche germe 4 en AIN est supérieure de 50 à 150°C à la température de dépôt de la couche 5 de GaN sus-jacente. Typiquement, on déposera l'AIN à une température de l'ordre de 920°C 10 tandis que le GaN sera déposé à environ 800°C. Par EJM, le GaN est classiquement déposé entre 750 et 830°C et l'AIN est formé à une température plus élevée de 80 à 150°C. Mais en dessous d'un écart de 80°C, le taux de relaxation dans la couche germe est moins satisfaisant. Par EPVOM, l'AIN sera par exemple déposé à une température comprise entre 15 1050 et 1200°C, et le GaN entre 950 et 1100°C. Par cette technique, la différence de température de dépôt peut être réduite jusqu'à 50°C pour obtenir l'effet souhaité sur la contrainte générée dans la couche 5 de GaN. Comme cela a été expliqué plus haut, on peut mettre en oeuvre la croissance de la couche germe 4 à une température aussi élevée car la couche intermédiaire 3 20 sous-jacente est en un matériau qui résiste mieux à la température. Cependant plus la teneur en aluminium de la couche 3 en AIGaN est faible, par exemple 8%, plus sa résistance thermique est faible et plus un écart important entre la température de dépôt de la couche 4 et celle de dépôt de la couche 5 de GaN peut provoquer une dissociation du matériau en AIGaN. Dans ce cas, il sera préféré de 25 maintenir un écart de moins de 120°C. Ces conditions particulières de procédé présentent plusieurs avantages. En premier lieu, le dépôt à température élevée de la couche germe 4 améliore sa cristallinité. Par ailleurs, en déposant le GaN de la couche 5 épaisse à une température 30 inférieure à la température de croissance de la couche germe 4, on comprime le paramètre de maille de la couche germe. Ce paramètre de maille plus petit de la 2929445 Il couche d'AIN permet de créer une contrainte compressive plus importante dans la couche 5 épaisse de GaN que si les deux matériaux étaient déposés à la même température. Il en résulte que la couche germe d'AIN présente un taux de relaxation à 5 température ambiante inférieur à 80%, de préférence compris entre 50 et 75%. Par taux de relaxation, on entend le ratio entre le paramètre de maille de l'AIN comprimé et le paramètre de maille de l'AIN à l'état relaxé. On précise que la compression a lieu selon un plan (x, y) parallèle à la surface de la couche. Par rapport au procédé de l'art antérieur, la couche germe 4 est donc davantage 10 en compression. Toutefois, l'emploi d'une couche intermédiaire 3 en AIGaN permet d'obtenir une couche germe 4 de très bonne qualité cristalline, qui permet de mettre en compression la couche de nitrure de gallium sus-jacente en limitant la relaxation à l'interface. Il en résulte la génération d'une contrainte compressive encore plus importante 15 dans la couche 5 de GaN, ce qui permet d'augmenter l'épaisseur de cette couche sans former de craquelures ni entraîner de courbure dans la structure revenue à température ambiante. On précise que si l'obtention d'une couche germe d'AIN présentant un taux de relaxation inférieur à 80% est une condition essentielle pour réaliser l'invention, 20 l'invention n'est pas limitée au procédé particulier décrit précédemment pour obtenir une telle couche. On pourrait ainsi imaginer, sans sortir du cadre de l'invention, l'emploi d'une couche intermédiaire en un matériau autre que de I'AIGaN, avec des conditions de dépôt déterminées pour générer dans la couche germe sus-jacente un taux de relaxation inférieur à 80%. 25 La courbure de la structure finale étant directement liée à la contrainte résiduelle dans la couche 5 épaisse à température ambiante, l'invention, qui permet de compenser la contrainte extensive imposée au GaN par le substrat, réduit ainsi la contrainte et la flèche de la structure. L'invention permet notamment des courbures inférieures à 30 micromètres et de préférence inférieures à 10 micromètres sur des 30 diamètres de 4 ou 6 pouces.
Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée à la fabrication d'une couche de nitrure de gallium, mais s'applique de manière plus générale à la fabrication d'une couche de nitrure de gallium et d'aluminium. Il est ainsi envisageable d'incorporer jusqu'à 30% d'aluminium dans la couche 5 5 de GaN tout en conservant les mêmes paramètres de procédés pour la fabrication de la couche. La composition de la couche 5 peut alors se formuler par l'expression Al Ga1_XN avec x compris entre 0 et 0,3. La croissance d'une couche 5 de GaN comportant 20% d'aluminium est par 10 exemple réalisée avec une épaisseur de 3 micromètres, sans craquelure avec une température de 800°C. Par ailleurs, il est également possible d'incorporer jusqu'à 10% de bore à la couche germe 4 en AIN (la couche germe 4 a alors une composition exprimée par la formule AI1_XBXN avec x compris entre 0 et 0,1) tout en conservant les propriétés et 15 effets de cette couche nécessaires à l'invention. Par exemple, le paramètre de maille du matériau BN étant inférieur à celui de l'AIN, la couche 4 comportant 10% de B (soit x=0,1), et déposée sur une couche intermédiaire 3 en AIGaN comprime davantage le GaN de la couche 5. Le matériau BN étant un matériau très réfractaire comme l'AIN, l'AI1_XBXN peut 20 être déposé avec une très bonne cristallinité à haute température, tout en permettant le même écart avec la température de dépôt de la couche 5 de GaN. L'obtention, grâce à l'emploi d'une couche intermédiaire contenant de l'aluminium, d'une contrainte compressive plus importante dans la couche germe d'AIN semble s'expliquer par la présence, dans les structures cristallines des 25 matériaux, de plans de cohérence. Les plans de cohérence correspondent à des multiples ou harmoniques des paramètres de maille des matériaux de part et d'autre de l'interface considérée. La contrainte n'est pas appliquée au niveau de chaque maille mais est répartie entre deux plans de cohérence adjacents.
Par rapport au GaN, l'AIGaN, qui présente un paramètre de maille inférieur, permettrait de comprimer le paramètre de maille de l'AIN de la couche germe sus-jacente 4 par des plans de cohérence différents. Il n'y aurait en effet pas un simple accord de maille à l'interface entre la couche intermédiaire 3 et la couche germe 4, mais un accord entre deux plans de cohérence, multiples des paramètres de maille de part et d'autre de l'interface. Par exemple, à l'état relaxé, le paramètre de maille de la couche intermédiaire 3 en GaN est de 3,185 A, tandis que le paramètre de maille de la couche germe 4 en AIN est de 3,11 A.
Par conséquent, en supposant qu'il y ait, de part et d'autre de l'interface, 97 mailles cristallines de GaN et 100 mailles cristallines d'AIN entre deux plans de cohérence, il subsiste une contrainte résiduelle de 2 A répartie entre toutes les mailles d'AIN, qui sont donc très légèrement en compression. Avec une couche intermédiaire 3 en AIGaN, les plans de cohérence sont tels que la contrainte résiduelle qui s'applique à chaque maille de l'AIN de la couche germe 4 est nettement plus importante, c'est-à-dire supérieure à 20%. Résultats expérimentaux On peut faire croître une couche de GaN d'au moins 3 pm d'épaisseur sans craquelure et la structure finale après dépôt présente une flèche d'environ 6 micromètres, sur des diamètres de 4 et 6 pouces, avec un taux de dislocations dans la couche de GaN inférieur à 5.109 cm-2. Ces résultats sont obtenus en mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessous. Sur un substrat 1 de silicium, une couche 2 de nucléation en AIN est déposée à 900°C et sur une épaisseur de 40 nm.
Puis une couche intermédiaire 3 d'AIGaN comprenant 8% d'aluminium est déposée sur une épaisseur de 300 nm à 800°C. La couche germe 4 en AIN est déposée à 920°C jusqu'à obtention d'une couche de 180 nm. Cette couche a typiquement un taux de relaxation de 70% à température ambiante.
Une couche épaisse 5 de 5 micromètres de GaN est alors déposée à 780°C, à une vitesse de 1 pm/h, sans craquelure.
Selon une variante, la couche intermédiaire 3 d'AIGaN peut aussi présenter une épaisseur de 500 nm avec une teneur en aluminium de 15% tandis que la couche germe 4 d'AIN présente une épaisseur de 150 nm pour le maintien d'une très bonne contrainte dans la couche germe 4.
L'homme du métier peut aussi réaliser une rampe de température au cours du dépôt de la couche germe 4 d'AIN afin d'atteindre 920°C suite au dépôt de la couche intermédiaire 3 d'AIGaN à 800°C. Application à la fabrication d'un dispositif électronique L'invention peut s'appliquer avantageusement à la fabrication de dispositifs électroniques, électroluminescents ou fonctionnant à hautes fréquences ou hautes puissances, tels que des composants photovoltaïques, des diodes électroluminescentes, des diodes Schottky, des lasers, des détecteurs optiques, des MEMS, des transistors à effet de champ de type HEMT ou par exemple un redresseur ou un transistor MOS.
En référence à la figure 3, un transistor à effet de champ est formé typiquement à partir de la couche 5 de GaN ù sur la structure sur laquelle elle a été épitaxiée ù, la couche 5 de GaN étant recouverte d'une couche barrière 6 par exemple en AIGaN. L'interface entre la couche 5 de GaN et la couche 6 d'AIGaN constitue une hétérojonction où le GaN a une bande interdite inférieure à celle de I'AIGaN.
La partie supérieure de la couche 5 de GaN, sous l'interface, délimite un canal (non représenté) dans lequel peut circuler un gaz bidimensionnel d'électrons. Or, il existe dans la structure de ce dispositif une deuxième hétérojonction, à savoir celle entre la couche intermédiaire 3 et la couche germe 4. Cette deuxième hétérojonction constitue un puits de potentiel susceptible de confiner les électrons, créant potentiellement un effet capacitif. Dans ce dispositif électronique, le fait que la couche intermédiaire 3 soit en AIGaN ù et non en GaN comme dans l'art antérieur cité en introduction ù permet de diminuer l'importance de cette deuxième hétérojonction, et limite donc l'effet capacitif potentiel.
Dans le cas d'un transistor de type HEMT (qui est illustré à la figure 3), le dispositif électronique comprend en outre au moins une électrode de contact ohmique 8a et une électrode de contact Schottky 8b, l'électrode de contact ohmique 8a étant de préférence déposée sur la couche barrière 6 tandis que l'électrode de contact Schottky est déposée sur une couche superficielle 9 formée sur la couche barrière., Les électrodes de contact ohmique sont au nombre de deux et sont nommées source et drain. Selon un premier exemple de formation d'un tel transistor, on forme, sur un substrat de SiC, une couche intermédiaire 3 en AIGaN avec une teneur en aluminium de 20 %, et une couche germe 4 de 800 A d'épaisseur avec un taux de relaxation de 65%.
La couche 5 en GaN est ensuite déposée sans formation de fissure sur une épaisseur de 1,5 micromètre en vue de former un transistor HEMT. Selon une variante, illustrée à la figure 4, l'invention peut s'appliquer à un transistor à effet de champ dont les matériaux de la structure présentent une composition différente de ceux de la structure décrite ci-dessus.
Par exemple, la couche 5 est en AIGaN avec 3 à 5% d'aluminium et présente une épaisseur entre 1,8 et 2,2 microns. Une couche canal 7 de GaN d'une épaisseur entre 5 et 100 nm par exemple est alors intercalée entre la couche 5 et une couche barrière 6 en AIGaN, et la différence de bande interdite entre le GaN de la couche canal 7 et l'AIGaN de la couche barrière 6 permet la formation d'un puits de potentiel à l'hétérojonction, dans lequel peut circuler un gaz bidimensionnel d'électrons. La couche barrière 6 comporte avantageusement de 20 à 70% d'aluminium et présente une épaisseur de 5 à 30 nm. Lorsque le taux d'aluminium dans la couche barrière 6 devient important (par exemple au delà de 30%), il devient difficile de contrôler l'homogénéité de l'aluminium dans la couche. La couche barrière 6 est alors avantageusement formée par une alternance de fines couches de nitrure d'aluminium (qui peut contenir une faible teneur en gallium) et de fines couches de nitrure de gallium (qui peut contenir une faible teneur en aluminium) jusqu'à atteindre l'épaisseur et les teneurs en élément du groupe III souhaitées. Ce type d'alternance ou superposition de fines couches est connu de l'homme du métier sous le nom de super alliage ou super réseau . A titre d'alternative, il est également avantageux de réaliser une couche barrière 6 en AIInN sur une structure précédemment décrite, soit directement sur la couche 5, si elle est en GaN, soit sur la couche canal 7 formée au préalable sur la couche 5, si cette dernière contient de l'aluminium. En effet, le matériau AIInN présente une bande interdite très élevée. Il favorise ainsi un puits profond à l'hétérojonction avec le GaN de la couche 5 ou, le cas échéant, de la couche canal 7.
De plus, ce matériau présente un champ piézoélectrique spontané beaucoup plus important que I'AIGaN. Ce champ piézoélectrique spontané, qui dépend de la nature du matériau, participe au champ piézoélectrique global de la structure avec le champ piézoélectrique induit de la contrainte dans le matériau de la barrière.
Ainsi, le champ piézoélectrique spontané de I'AIInN étant important, il n'est pas nécessaire de contraindre le matériau pour augmenter le champ piézoélectrique global. Il peut être déposé à l'état relaxé et avoir le même effet qu'une barrière 6 en AIGaN contraint, sur la densité du gaz d'électron. La croissance à l'état relaxé permet de limiter la formation de défauts cristallins, favorise une interface cristalline de qualité et évite la formation de courant de fuite. Un autre avantage de déposer I'AIInN sur la couche 5 en GaN ou, le cas échéant, sur la couche canal 7 en GaN, réside en ce que, selon la teneur d'indium dans I'AIInN, ce matériau peut être en accord de maille avec le GaN. Par exemple, de I'AIInN comportant 18% d'indium possède le paramètre de maille du GaN relaxé.
Lorsque le GaN est en compression sur la couche 3 en AIGaN, son paramètre de maille est réduit, en conséquence, il est aisé de réduire la teneur en indium de I'AIInN pour conserver l'accord de maille. Un autre avantage réside en ce que le matériau AIInN peut facilement être élaboré avec un niveau élevé de dopage de type n. Le matériau peut alors servir de réservoir d'électrons et augmenter la densité du gaz bidimensionnel d'électrons.
De préférence, un transistor à effet de champ sera fabriqué à partir d'une barrière 6 d'AIInN comportant de 5 à 25% d'indium. Cette couche peut être formée par un super alliage. Il est également possible de former une couche barrière 6 en BGaN comprenant par exemple 15 à 30% de bore sur la couche 5 en GaN ou, le cas échéant, sur la couche canal 7 en GaN. L'avantage de ce matériau est que le paramètre de maille du BN est inférieur à celui de l'AIN et du GaN si bien que le matériau de la couche barrière 6 est davantage en compression. En conséquence, la contrainte dans la couche barrière est plus importante, le 10 champ piézoélectrique induit aussi et le gaz d'électron plus dense. L'épaisseur de la couche barrière 6 peut alors être amincie tout en permettant un champ piézoélectrique induit identique à celui procuré par de I'AIGaN sur du GaN d'une épaisseur standard. L'éloignement entre la surface de la structure et le canal d'électrons est plus faible et le contrôle du gaz d'électrons est amélioré. 15 Une autre alternative consiste à déposer une couche canal 7 en ScN sur la couche 5 d'Al Ga1_XN. Ce matériau binaire est formé plus facilement que les matériaux ternaires ce qui permet l'obtention d'une très bonne qualité cristalline et un matériau homogène. Son paramètre de maille étant très proche de celui du GaN (différence de paramètre inférieure à 0,1%), sa croissance sur une couche 5 en GaN 20 permet de limiter la formation de défauts cristallins et une bonne interface cristalline. Cette interface est d'autant améliorée que les matériaux des couches 5 et 7 sont binaires, la diffusion des éléments est limitée et le champ est bien homogène. Cet effet est encore amélioré si l'on intercale une couche espaceur en matériau binaire entre la couche canal 7 et la barrière 6, par exemple en AIN. 25 Lorsque la couche 5 contient de l'aluminium, le matériau ScN de la couche 7 est contraint, du fait de la différence de paramètre de maille, ce qui permet d'augmenter la mobilité des électrons du gaz bidimensionnel. La bande interdite de ce matériau de 2,3eV le rend particulièrement bien adapté pour les champs générés aux interfaces GaN / ScN et ScN/AIGaN.
L'épaisseur de ce canal 7 peut être de 5 à 100 nm et le matériau de la barrière 6 est choisi pour l'obtention d'une hétérojonction adaptée. Ce matériau est par exemple de l'AIGaN, du BGaN et de l'AIInN.

Claims (24)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une couche (5) monocristalline, sans craquelure, en nitrure de composition AIXGa1_XN, où 0 x 0,3, sur un substrat (1) susceptible d'engendrer dans celle-ci des contraintes extensives, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) formation, sur le substrat (1), d'une couche de nucléation (2) b) formation, sur la couche de nucléation (2), d'une couche intermédiaire (3) monocristalline c) formation, sur la couche intermédiaire (3), d'une couche germe (4) monocristalline d) formation, sur la couche germe (4), de la couche (5) monocristalline de nitrure Al Ga1_XN, caractérisé en ce que : le matériau de la couche intermédiaire (3) est du nitrure d'aluminium et de gallium ; le matériau de la couche germe (4) est un composé AIBN dans lequel la teneur en bore est comprise entre 0 et 10% ; le ratio entre l'épaisseur de la couche germe (4) et l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est compris entre 0,05 et 1 ; la température de formation de la couche germe (4) est supérieure de 50 à 150°C à la température de formation de ladite couche (5) monocristalline, sans craquelure de nitrure Al Ga1_XN.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (5) monocristalline, sans craquelure, de nitrure Al Ga1_XN est comprise entre 800 nm et 7 micromètres.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est supérieure ou égale à 250 nm.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (3) présente un taux d'aluminium compris entre 1 et 35%.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le taux d'aluminium dans la couche intermédiaire (3) est compris entre 6% et 30%.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat (1) est en silicium, en diamant ou en carbure de silicium.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ratio entre l'épaisseur de la couche germe (4) et l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est compris entre 0,2 et 0,35. 15
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche germe (4) est comprise entre 30 et 250 nm.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la température de formation de la couche germe (4) par épitaxie par jets moléculaires 20 est supérieure de 80°C à la température de formation de la couche (5) monocristalline, sans craquelure de nitrure.
  10. 10. Structure comprenant une couche (5) monocristalline sans craquelure de nitrure de composition Al Ga,_XN, où 0 x 0,3, et un substrat (1) susceptible 25 d'engendrer dans celle-ci des contraintes extensives, ladite structure comprenant successivement : ledit substrat (1) ; une couche (2) de nucléation ; une couche intermédiaire (3) monocristalline ; 30 une couche germe (4) monocristalline ;10 ù ladite couche (5) monocristalline de nitrure, ladite structure étant caractérisée en ce que : ù la couche germe (4) est un composé AIBN, dans lequel la teneur en bore est comprise entre 0 et 10% ; la couche germe (4) présente un taux de relaxation, à température ambiante, inférieur à 80%.
  11. 11. Structure selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (5) monocristalline, sans craquelure, de nitrure Al Ga1_XN est comprise entre 10 800 nm et 7 micromètres.
  12. 12. Structure selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que la couche intermédiaire (3) est en nitrure d'aluminium et de gallium et présente une teneur en aluminium comprise entre 1 et 35%.
  13. 13. Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce que la teneur en aluminium de la couche intermédiaire (3) est comprise entre 6 et 30%.
  14. 14. Structure selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que le 20 ratio entre l'épaisseur de la couche germe (4) et l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est compris entre 0,05 et 1.
  15. 15. Structure selon la revendication 14, caractérisée en ce que le ratio entre l'épaisseur de la couche germe (4) et l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est 25 compris entre 0,2 et 0,35.
  16. 16. Structure selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche intermédiaire (3) est supérieure ou égale à 250 nm. 15
  17. 17. Structure selon l'une des revendications 10 à 16, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche germe (4) est comprise entre 30 et 250 nm.
  18. 18. Structure selon l'une des revendications 10 à 17, caractérisée en ce que le substrat (1) est en silicium, en diamant ou en carbure de silicium.
  19. 19. Structure selon l'une des revendications 10 à 18, caractérisée en ce que le taux de relaxation à température ambiante de la couche germe (4) est compris entre 50 et 75%.
  20. 20. Structure selon l'une des revendications 10 à 19, caractérisée en ce que la couche (5) monocristalline, sans craquelure, de nitrure comprend 3 à 5% d'aluminium et en ce que ladite structure comprend successivement, sur ladite couche (5) : une couche canal (7) en GaN d'une épaisseur de 5 à 100 nm, et une couche barrière (6) dans un matériau choisi parmi l'AIGaN, l'AIInN et le BGaN.
  21. 21. Structure selon l'une des revendications 10 à 19, caractérisée en ce que ladite structure comprend successivement, sur la couche (5) monocristalline, sans craquelure, de nitrure : - une couche canal (7) de ScN - une couche barrière (6) dans un matériau choisi parmi l'AIGaN, l'AIInN et le BGaN.
  22. 22. Structure selon l'une des revendications 10 à 19, caractérisée en ce que la couche (5) monocristalline, sans craquelure, est en nitrure de gallium et en ce que ladite structure comprend, sur ladite couche (5), une couche barrière (6) dans un matériau choisi parmi l'AIGaN, l'AIInN et le BgaN. 5
  23. 23. Dispositif tel qu'un composant photovoltaïque, une diode électroluminescente, une diode Schottky, un laser, un détecteur optique, ou un MEMS, caractérisé en ce qu'il comprend la structure selon l'une des revendications 10 à 19.
  24. 24. Transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend la structure selon l'une des revendications 10 à 22.
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