FR2953328A1 - Heterostructure pour composants electroniques de puissance, composants optoelectroniques ou photovoltaiques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un support pour l'épitaxie d'une couche (4) d'un matériau de composition AlxInyGa(1-x-y)N, où 0≤x≤1, 0≤y≤1 et x+y≤1, comprenant : - un substrat support (10), - une couche de collage (2), - une couche germe (3) monocristalline pour la croissance épitaxiale de ladite couche (4), dans lequel : - le matériau du substrat support (10) présente une résistivité électrique inférieure à 10-3 ohm.cm et une conductivité thermique supérieure à 100 W.m-1.K-1, - la couche germe (3) est en un matériau de composition AlxInyGa(1-x-y)N, où 0≤x≤1, 0≤y≤1 et x+y≤1, - la résistance de contact spécifique entre la couche germe (3) et la couche de collage (2) est inférieure ou égale à 0,1 ohm.cm-2, - les matériaux du substrat support, de la couche de collage et de la couche germe sont réfractaires à une température supérieure à 750 °C.
Description
HETEROSTRUCTURE POUR COMPOSANTS ELECTRONIQUES DE PUISSANCE, COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES OU PHOTOVOLTAIQUES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un support pour la réalisation d'une hétérostructure pour la fabrication de composants électroniques de puissance ou de composants optoélectroniques, ou de composants photovoltaïques comprenant successivement de sa base vers sa surface : - un substrat support, - une couche de collage, - une couche monocristalline, sans fissure, dite « couche active » d'un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où O5x51, 05y51 et x+y51, présentant une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, dans laquelle ou sur laquelle seront fabriqués les composants de puissance.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Pour le marché des dispositifs électroniques de puissance, verticaux ou planaires, (composants MOS, transistors bipolaires, J-FET, MISFET, diodes Schottky ou PIN, thyristors), des composants optoélectroniques (Laser, LED) et des composants photovoltaïques (cellules solaires) il est intéressant d'utiliser un substrat conducteur de AIXInyGa(l_x_y)N (x entre ou égal à 0 et 1, y entre ou égal à 0 et 1, x+y inférieur ou égal à 1) et de préférence un substrat de GaN massif (ou « freestanding » selon la terminologie anglo-saxonne).
Ces substrats sont toutefois difficiles à fabriquer avec les techniques actuelles et restent très coûteux. Une alternative proposée consiste en une hétérostructure comportant une couche active de AIXInyGa(l_x_y)N épaisse (de préférence en GaN dopé) formée sur un substrat conducteur.
Mais la croissance de couches épaisses avec une bonne qualité cristalline est encore difficile avec les procédés actuels si le substrat germe n'est pas du même matériau que celui épitaxié. L'épitaxie d'une couche épaisse de GaN (environ 10 micromètres) sur un substrat germe tel que le Si ou SiC dopé, du fait de la différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) et de paramètre de maille entre les matériaux, conduit à la formation de défauts et de fissures dans la couche ce qui réduit l'efficacité des dispositifs électroniques, optiques ou optoélectroniques formés sur ce matériau. De plus, comme l'enseigne le document WO 01/95380, cette épitaxie nécessite l'utilisation d'une couche tampon û par exemple une couche d'AIN û entre le substrat germe et le GaN qui présente une forte résistance électrique. L'épitaxie d'une couche épaisse de GaN sur un substrat de saphir suivi du transfert de la couche sur un substrat conducteur par détachement laser est un procédé coûteux. Par ailleurs, le choix de ces matériaux ne permet pas d'atteindre une densité de dislocations inférieure à 10' cm-2 dans la couche active.
De plus, la couche ainsi formée présente une flèche très importante ce qui nécessite de longues étapes de préparation (polissage...) pour qu'elle puisse être collée et reportée sur un substrat final. Par ailleurs, le transfert d'une couche de GaN à partir d'un substrat massif par la technologie Smart CutTM ne permet pas d'atteindre les épaisseurs souhaitées de façon satisfaisante à ce jour. Le document US 2008/0169483 décrit la formation d'un substrat d'épitaxie comportant une couche germe de GaN transférée par la technologie Smart CutTM sur un substrat support. Une couche de GaN conductrice est ensuite déposée sur la couche germe puis elle est transférée sur un support thermiquement et électriquement conducteur. Ce procédé est complexe puisqu'il implique deux transferts de la couche active de GaN pour former la structure conductrice finale. On cherche donc à concevoir une hétérostructure pour des composants électroniques de puissance, des composants optoélectroniques ou photovoltaïques et un procédé de fabrication de ladite hétérostructure, en vue d'obtenir une couche monocristalline épaisse et sans fissure d'un matériau de composition AIXInyGa(l_X_y)N sur un substrat support, ne présentant pas les inconvénients des procédés de l'art antérieur. Plus précisément, l'hétérostructure doit présenter les propriétés suivantes : - une couche active épaisse, c'est-à-dire d'une épaisseur supérieure ou égale à 3 micromètres, de préférence supérieure à 10 micromètres, - une couche active comportant une portion principale d'une épaisseur représentant entre 70 et 100% de l'épaisseur de la couche active, ladite portion principale étant faiblement dopée de façon à permettre un étalement du champ électrique sur l'épaisseur de la couche active, - une conductivité thermique élevée de l'hétérostructure, c'est-à-dire typiquement supérieure ou égale à 100 W/m.K, - une faible densité de dislocations dans la couche active, c'est-à-dire inférieure ou égale à 10' cm-2 Par « portion de couche » on entend dans le présent texte une partie d'une couche considérée dans le sens de l'épaisseur de la couche. Une couche peut donc être constituée de plusieurs portions superposées, la somme des épaisseurs des portions étant égale à l'épaisseur totale de la couche. Les différentes portions de la couche active peuvent être dans le même matériau, mais avec un dopage différent, ou bien être dans des matériaux différents de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, O5y51 et x+y51. Ainsi, la couche active d'une diode PIN peut être conçue avec une alternance des couches InGaN / GaN / InGaN ou de GaN dopé p / GaN faiblement dopé / GaN dopé n. La couche active pour composants optoélectroniques ou composants photovoltaïques peut être constituée d'un empilement de couches dans des matériaux différents de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51. Par ailleurs, on désigne par « sous-jacente » une portion de couche la plus éloignée de la surface de l'hétérostructure et par « sus-jacente » une portion de couche la plus proche de la surface de l'hétérostructure. A titre d'exemple, la couche active d'une diode PIN comprend une seule portion de couche sous-jacente et sus-jacente de part et d'autre de la portion principale. Un autre but de l'invention est de concevoir un support adapté pour l'épitaxie de la couche active en vue de former l'hétérostructure décrite plus haut. Plus précisément, ce support d'épitaxie doit permettre la croissance de la couche active épaisse sans formation de fissures, et doit en outre présenter des propriétés électriques compatibles avec les applications visées.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, un premier objet de l'invention concerne un support pour l'épitaxie d'une couche d'un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, caractérisé en ce qu'il comprend successivement de sa base vers sa surface : un substrat support, une couche de collage, une couche germe monocristalline pour la croissance épitaxiale de ladite couche de matériau AIXInyGa(l_x_y)N, et en ce que: le matériau du substrat support présente une résistivité électrique inférieure à 10-3 ohm.cm et une conductivité thermique supérieure à 100 W.m-'.K-1, et la couche germe est en un matériau de composition AIXInyGa(l_X_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, et la résistance de contact spécifique entre la couche germe et la couche de collage est inférieure ou égale à 0,1 ohm.cm-2, et les matériaux du substrat support, de la couche de collage et de la couche germe sont réfractaires à une température supérieure à 750°C, de préférence à une température supérieure à 1000°C. Par « matériau réfractaire » on entend dans le présent texte un matériau qui ne se dégrade pas à la température d'épitaxie de la couche de matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N (que ce soit par fusion ou par réaction chimique avec les composants gazeux), et dont les caractéristiques de conductivité électrique et thermique ne sont pas altérées à cette température (notamment par dégradation des interfaces avec les autres couches du support). On précise que, dans l'ensemble du présent texte, on considère le coefficient de dilatation thermique comme le coefficient de dilatation thermique linéaire selon un plan parallèle à la surface des couches à température d'épitaxie de la couche active par rapport à la température de collage. La température d'épitaxie en phase vapeur de la couche active de type AIGaInN est classiquement inférieure à 1100°C. Le collage est généralement réalisé à température ambiante.
Le coefficient de dilatation thermique est classiquement mesuré par diffraction des rayons X ou par dilatométrie. La conductivité électrique (ou la résistivité électrique) et la résistance spécifique de contact sont mesurées par des méthodes normalisées bien connues de l'homme du métier et détaillées par exemple dans le livre intitulé "Semiconductor Material and Device Characterization" de Dieter Schdder (éditions John Wiley & Sons). La résistance spécifique de contact est mesurée par exemple par TLM (acronyme anglo-saxon de « Transmission Line Method » ou "Transfer Length Method"). Cette méthode consiste à déposer des plots métalliques d'une longueur I et d'une largeur w, espacés d'une distance Li sur la couche de matériau semi-conducteur d'une épaisseur h. La résistance Ri est mesurée entre différents plots de façon à obtenir plusieurs valeurs de résistance pour différentes distances Li entre les plots. Ces valeurs sont rapportées sur un repère orthogonal dont les axes représentent les résistances Ri et les distance Li. La pente et le point à distance nulle de la droite obtenue en joignant les points permettent d'extraire respectivement la résistivité du matériau semi-conducteur et la résistance spécifique de contact.
La conductivité thermique est mesurée par des méthodes normalisées bien connues de l'homme du métier et détaillés par exemple dans le traité R-2-850 "Conductivité et diffusivité thermique des solides" d'Alain Degiovanni publié aux Techniques de l'Ingénieur. La densité de dislocations peut être mesurée par microscopie électronique en transmission ou par cathodo-luminescence. Selon d'autres caractéristiques du support, considérées seules ou en combinaison : - la couche germe est dopée avec une concentration de dopants comprise entre 10" et 1020 cm-3 ; - lesdits dopants sont de préférence de type n ; - le matériau du substrat support est un métal choisi parmi le tungstène, le molybdène, le niobium et/ou le tantale et leur alliages binaires, ternaires ou quaternaires, tels que TaW, MoW, MoTa, MoNb, WNb ou TaNb ; - avantageusement, le substrat support est en TaW comprenant au moins 45% de tungstène ou en MoTa comprenant plus de 65% de molybdène ; - le matériau de la couche de collage comprend du silicium polycristallin, du siliciure, de préférence du siliciure de tungstène ou du siliciure de molybdène, du tungstène, du molybdène, de l'oxyde de zinc, un borure métallique tel que le borure de zirconium, le borure de tungstène, le borure de titane ou le borure de chrome, et/ou de l'oxyde d'indium-étain ; - la couche de collage est préférentiellement en un matériau présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10-4 ohm.cm ; - la couche germe présente une résistivité électrique comprise entre 10-3 et 0,1 ohm.cm. L'invention concerne également une hétérostructure pour la fabrication de composants électroniques de puissance, de composants optoélectroniques ou de composants photovoltaïques, comprenant successivement de sa base vers sa surface un support tel que décrit ci-dessus, et, sur la couche germe dudit support, une couche monocristalline, sans fissure, dite « couche active » d'un matériau de composition AIXInyGa(l_X_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, présentant une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, la couche germe présentant une différence de paramètre de maille avec le matériau de la couche active inférieure à 0,005 Â et la couche active présentant une portion principale dont l'épaisseur représente entre 70 et 100% de l'épaisseur de la couche active et dont la concentration de dopants est inférieure ou égale à 10" cm-3. De manière particulièrement avantageuse, le coefficient de dilatation thermique du matériau du substrat support est compris entre un coefficient minimal inférieur de 0,5.10-6 K-1 à celui du coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale de la couche active et un coefficient maximal supérieur de 0,6.10-6 K-1 au coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale de la couche active à la température de formation par épitaxie de la couche active. La couche active présente une densité de dislocations inférieure à 108 cm-2, et de préférence inférieure à 10' cm-2. Selon un mode de réalisation particulier de l'hétérostructure, la portion principale de la couche active est intercalée entre une couche sous-jacente et une couche sus-jacente comprenant chacune une concentration de dopants de type différent supérieure à 10"cm- Le matériau de la portion principale et des portions sousùjacente et sus-jacente est alors de préférence du GaN. Selon un autre mode de réalisation de l'hétérostructure, la portion principale de la couche active est intercalée entre une portion sous-jacente et une portion sus-jacente, chacune de ces portions étant constituée d'un matériau AIXInyGa(l_x_y)N de composition différente.
Selon un autre mode de réalisation de l'hétérostructure, l'épaisseur de la portion principale représente 100% de l'épaisseur de la couche active et le matériau de la portion principale est du GaN dopé de type n, de préférence du GaN dopé au silicium. De manière préférée, la portion principale de la couche active et la couche germe sont constituées du même matériau.
Dans un exemple de réalisation de l'hétérostructure, le substrat support est en molybdène, la couche de collage est en tungstène, la couche germe est en GaN et la couche active est en GaN. Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un support pour l'épitaxie d'une couche d'un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, caractérisé en ce qu'il comprend : (a) la fourniture d'un substrat support présentant une résistivité électrique inférieure à 10-3 ohm.cm et une conductivité thermique supérieure à 100 W.m- . K_1 (b) la fourniture d'un substrat donneur, ledit substrat comprenant une couche germe monocristalline adaptée pour la croissance épitaxiale de ladite couche, (c) la formation d'une couche de collage sur le substrat donneur et/ou sur le substrat support, les matériaux du substrat support, de la couche germe et de la couche de collage étant choisis réfractaires à une température supérieure à 750°C, de préférence à une température supérieure à 1000°C, et choisis de sorte que la résistance de contact spécifique entre la couche germe et la couche de collage soit inférieure ou égale à 0,1 ohm.cm-2, (d) le collage par adhésion moléculaire du substrat donneur sur le substrat support, la couche de collage étant située à l'interface, (e) l'amincissement du substrat donneur pour le transfert de la couche germe sur le substrat support. Selon d'autres caractéristiques dudit procédé, considérées séparément ou en combinaison : - la couche germe est formée dans le substrat donneur par implantation ionique de manière à créer dans le substrat donneur une zone de fragilisation à une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur de la couche germe ; - ladite étape d'implantation est réalisée après la formation de la couche de collage sur le substrat donneur, l'implantation étant effectuée à travers la couche de collage ; - le procédé comprend le dopage de la couche germe, ledit dopage étant réalisé par implantation ou diffusion d'espèces dopantes ; - lorsque la rugosité du substrat donneur ou du substrat support est inférieure à 1 nm pour une surface de 5 micromètres x 5 micromètres mesurée par AFM et présente une topologie de surface pic-vallée inférieure à 10 nm, la couche de collage n'est déposée que sur l'autre substrat ; - lorsque la rugosité du substrat support est supérieure ou égale à 1 nm pour une surface de 5 micromètres x 5 micromètres mesurée par AFM et présente une topologie de surface pic-vallée supérieure ou égale à 10 nm, la couche de collage est déposée et polie jusqu'à atteindre une rugosité inférieure à 1 nm et une topologie de surface pic-vallée inférieure à 10 nm.
Un autre objet de l'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'une hétérostructure comprenant une couche monocristalline, dite « couche active » en un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - la formation selon le procédé décrit précédemment du support pour l'épitaxie de ladite couche d' AIXInyGa(l_x_y)N, - après la formation dudit support, une étape (f) de croissance par épitaxie de ladite couche active sur la couche germe, sans fissure, jusqu'à l'obtention d'une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, la couche active présentant une portion principale dont l'épaisseur représente entre 70 et 100% de l'épaisseur de la couche active et dont la concentration de dopants est inférieure ou égale à 10" cm-3 et le matériau de la couche germe étant choisi pour présenter une différence de paramètre de maille avec le matériau de la portion principale de la couche active inférieure à 0,005 Â. De manière particulièrement avantageuse, on choisit le matériau du substrat support de telle sorte que son coefficient de dilatation thermique soit compris entre un coefficient minimal inférieur de 0,5.10-6 K-1 au coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale de la couche active et un coefficient maximal supérieur de 0,6.10-6 K-1 au coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale de la couche active à température d'épitaxie de la couche active. Le procédé comprend avantageusement le dopage de la couche active, ledit dopage étant réalisé pendant l'étape (f) d'épitaxie ou, après l'épitaxie, par implantation ou diffusion d'espèces dopantes. De préférence, le matériau du substrat support est un métal choisi parmi le tungstène, le molybdène, le niobium et/ou le tantale et leur alliages binaires, ternaires ou quaternaires, tels que TaW, MoW, MoTa, MoNb, WNb ou TaNb.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre une hétérostructure conforme à l'invention, - la figure 2 illustre de manière schématique la formation de la couche germe dans le substrat donneur, - la figure 3 illustre la formation d'une couche de collage sur le substrat support, - la figure 4 illustre l'assemblage du substrat donneur sur le substrat support avant la fracture, - la figure 5 illustre la structure résultant de la fracture du substrat donneur, - la figure 6 illustre un autre exemple d'hétérostructure conforme à l'invention, - la figure 7 illustre un exemple de composant électronique de puissance formé sur une hétérostructure conforme à l'invention. On précise que, pour des raisons de lisibilité des figures, les échelles d'épaisseur des différentes couches n'ont pas été respectées.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, l'hétérostructure 1 proposée dans la présente invention comporte une couche active 4 d'un matériau de composition AIXInyGa(l_X_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51.
Cette couche 4 est dite active car c'est la couche dans ou sur laquelle sont destinés à être formés des composants électroniques de puissance tels que des composants MOS, J-FET, MISFET, diodes Schottky ou encore thyristors ; ou des composants de LED, lasers, cellules solaires.
L'épaisseur de ladite couche active 4 est comprise entre 3 et 100 micromètres, de préférence de l'ordre de 10 micromètres. La couche active 4 est collée sur un substrat support 10 par l'intermédiaire d'une couche de collage 2 dont les propriétés seront détaillées plus bas. La couche active 4 est formée par épitaxie sur une couche germe 3, qui, comme on le verra plus bas, peut être dans le même matériau que celui de la couche active ou dans un matériau différent. Le procédé de fabrication de ladite hétérostructure 1, qui sera décrit en détail plus bas, comprend principalement les étapes suivantes : - la fourniture du substrat support 10 ; - la fourniture d'un substrat donneur comprenant une couche germe 3 adaptée pour l'épitaxie de la couche active 4 ; - le transfert de la couche germe 3 sur le substrat support 10, la couche de collage 2 mentionnée plus haut étant formée à l'interface ; - la croissance par épitaxie de la couche active 4 sur la couche germe 3.
L'assemblage du substrat support 10, de la couche de collage 2 et de la couche germe 3, qui constitue un support pour l'épitaxie de la couche active 4 permettant de former l'hétérostructure illustrée à la figure 1, présente une résistivité électrique totale inférieure ou égale à celle du GaN massif comprenant une concentration de dopants de 1018 cm-3, i.e. une résistivité électrique totale inférieure ou égale à 10-2 ohm.cm et préférentiellement une conductivité thermique de l'ordre de grandeur de celle du GaN, i.e. supérieure ou égale à 100 W/m.K de façon à proposer une alternative à l'utilisation d'un substrat de GaN massif, difficilement disponible dans le commerce et coûteux. Ainsi, l'hétérostructure 1 telle que définie ci dessus présente une conductivité électrique verticale suffisante pour des applications visées telles que le fonctionnement des diodes Schottky. Par ailleurs, les matériaux constituant l'hétérostructure 1 et les procédés de fabrication utilisés sont choisis de sorte à ce que l'hétérostructure puisse résister aux températures d'épitaxie de la couche active sans dégradation des matériaux ni de leurs propriétés électriques et thermiques et ainsi permettre un fonctionnement des dispositifs équivalent à celui des dispositifs formés à partir d'un matériau III/N massif.
Substrat support Le substrat support 10 est en un matériau présentant une résistivité électrique inférieure à 10-3 ohm.cm et une conductivité thermique supérieure à 100 W.m-'.K-1. Le matériau du substrat support 10 est en outre « réfractaire », c'est-à-dire qu'il présente une stabilité thermique aux températures de formation de la couche active. Il présente un coefficient de dilatation thermique proche de celui du matériau de la couche active 4 à la température d'épitaxie pour éviter une mise sous contrainte de la couche épitaxiée lors du chauffage précédant la croissance et lors du refroidissement de l'hétérostructure après l'épitaxie.
Par exemple, la température d'épitaxie en phase vapeur par MOCVD, HVPE du GaN et de l'AIN est à ce jour d'environ 1000°C-1100°C, et d'environ 800°C pour l'InGaN et AIXInyGa(l_X_y)N. En effet, si le coefficient de dilatation thermique du substrat support 10 est inférieur (respectivement, supérieur) à celui de la couche germe 3, la couche germe 3 sera en compression (respectivement, en tension) à la température d'épitaxie. Or, cette contrainte en tension ou en compression peut nuire à la qualité de l'épitaxie. Par ailleurs, si la couche épitaxiée 4 est relaxée lors de l'épitaxie et que son coefficient de dilatation thermique est supérieur (respectivement, inférieur) à celui du substrat support 10, elle sera en tension (respectivement, en compression) lors du refroidissement. Au-delà d'une épaisseur seuil, les contraintes en tension comme en compression sont susceptibles de se relâcher par la formation de fissures ou de défauts cristallins dans la couche épitaxiée, ce qui diminue l'efficacité des dispositifs formés à partir de cette couche.
Le caractère suffisamment « proche » du coefficient de dilatation thermique du substrat support par rapport à celui de la couche active est déterminé en fonction du matériau prépondérant choisi pour la couche active, c'est-à-dire du matériau de la portion principale le cas échéant. Ainsi, par exemple, pour une couche active 4 en GaN (dont le coefficient de dilatation thermique est de l'ordre de 5,6.10-6 K-'), le substrat support 10 peut présenter un coefficient de dilatation thermique compris entre 5,1.10-6 et 6,1.10-6 K-1 à la température d'épitaxie de la couche active. De manière générale, on estime que les coefficients de dilatation thermique de la couche active (noté CTE couche active) et du substrat support (noté CTE support) doivent être liés par la relation suivante : CTE couche active - 0,5.10-6 K' S CTE support 5 CTE couche active + 0,6.10-6 K' Le substrat support 10 est à base de métal et est choisi de préférence parmi le tungstène (W), le molybdène (Mo), le niobium (Nb) et/ou le tantale (Ta) et leur alliages binaires, ternaires ou quaternaires, tels que TaW, MoW, MoTa, MoNb, WNb ou TaNb. Notamment, l'alliage TaW comportant au moins 45% de tungstène (de préférence, 75%) est susceptible de présenter un coefficient de dilatation thermique accordé avec celui du GaN tout en possédant de bonnes propriétés de conductivité thermique et électrique. L'alliage MoTa comprenant plus de 65% de molybdène convient également. On trouvera dans le tableau ci-dessous les caractéristiques de quelques matériaux à titre indicatif. CTE à CTE à Conductivité Résistivité température 1000°C thermique électrique ambiante (10-6 K-1) (W/mK) (microohm.cm) (10-6 K-1) Mo métal 4,8 5,6-6,0 140 5 W métal 4,5 5.1 165 5 Ta métal 6,3 7,0 54 13 Nb métal 7,3 8,3 54 15 GaN 3,5 5,6 150 Le substrat support 10 est obtenu par exemple par frittage (pour le W par exemple) ou par compression à chaud. Selon la nature du matériau du substrat support 10 et la température d'épitaxie de la couche active 4 (pour un matériau de type AIInGaN, celle-ci varie entre 800 et 1100°C), une évaporation ou une diffusion d'éléments du substrat support peut se produire, ayant pour effet de contaminer la couche active. Dans ce cas, on peut encapsuler le substrat support 10 par une couche protectrice (non représentée) en vue de l'application des budgets thermiques de croissance de la couche active. Par exemple, une couche de nitrure de silicium ou de nitrure d'aluminium peut être déposée sur la face arrière et les faces latérales du substrat support par un dépôt CVD ou PVD (acronymes anglo-saxons respectivement de « Chemical Vapor Deposition » et de « Phase Vapor Deposition »). Couche germe La couche germe 3 monocristalline est en matériau AIXInyGa(l-X-y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51 et est électriquement conductrice. Elle est obtenue par transfert sur le substrat support 10 à partir d'un substrat donneur 30, lequel peut être massif ou bien formé de plusieurs couches (par exemple, une couche de GaN déposée sur un support de saphir). Le matériau de la couche germe est réfractaire, c'est-à-dire qu'il ne se dégrade pas pendant l'épitaxie de la couche active.
Le procédé de transfert de la couche germe 3 est obtenu par une étape de collage du substrat donneur 30 par adhésion moléculaire sur le substrat support 10 suivi d'une étape d'amincissement du substrat donneur 30 pour obtenir la couche germe 3. Cet amincissement peut être réalisé par toute technique adaptée aux matériaux utilisés et dont la mise en oeuvre est bien connue de l'homme du métier, tel qu'un polissage mécano-chimique CMP, un meulage, une irradiation laser à l'interface entre deux couches constituant le substrat donneur ou de préférence un procédé de type Smart CutTM. Une description détaillée de ce procédé pourra par exemple être trouvée dans le brevet EP0533551 ou dans le livre « Procédé SMARTCUT dans Silicon-On-Insulator Technology: Materials to VLSI, 2nd Edition de Jean-Pierre Colinge chez Kluwer Academic Publishers, p.50 et 51. Schématiquement, en référence à la figure 2, on définit dans le substrat donneur 30 la couche germe 3 en réalisant une implantation d'espèces ioniques (par exemple, de l'hydrogène) dont le pic d'implantation des espèces est à une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur souhaitée pour la couche germe 3. La zone où la concentration en espèces implantées est maximale constitue une zone de fragilisation 31, que l'on peut fracturer par l'application, par exemple, d'un budget thermique adapté. L'épaisseur de la couche germe est préférentiellement comprise entre 100 nm et 500 nm. Le matériau choisi pour la couche germe 3 présente de préférence un paramètre de maille adapté à la croissance épitaxiale de la couche active 4. On choisit de préférence un matériau présentant une différence de paramètre de maille avec le matériau de la couche active 4 inférieure à 0,005 Â. Par exemple, on peut ainsi réaliser une épitaxie d'InGaN à 1,4% d'In sur une couche germe de GaN, ou bien une épitaxie d'AIGaN à 6,5% d'Al sur une couche germe 30 de GaN. Selon un autre exemple, pour une épitaxie d'une couche active de GaN d'épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, on peut prélever une couche germe à partir d'un substrat massif de GaN. De préférence, la couche germe 3 est prélevée à partir de la face de polarité N du 35 substrat donneur 30, de manière à ce que la couche collée au substrat support 10 présente une face exposée de polarité Ga, à partir de laquelle la reprise d'épitaxie est plus aisée avec les techniques actuelles. Néanmoins, on peut également prélever la couche germe à partir de la face de polarité Ga du substrat donneur, de sorte à réaliser l'épitaxie sur la face de polarité N de la couche germe ou effectuer un double transfert de sorte à obtenir une face exposée de la couche germe de polarité Ga. Idéalement, le matériau de la couche germe 3 est le même que celui de la couche active 4 épitaxiée (on parle alors d'homoépitaxie). Il présente alors la même structure cristalline et, sous réserve que le substrat support n'induise pas de contraintes dans la couche germe, il n'y a pas de différence de paramètre de maille entre le matériau de la couche germe et celui de la couche active, ce qui évite la formation de nouveaux défauts dans le cristal épitaxié. L'homoépitaxie (couche active de GaN épitaxiée sur une couche germe de GaN) permet ainsi d'obtenir une densité de dislocations la plus faible possible dans la couche active. Dans le cas d'une homoépitaxie, on peut distinguer la couche germe de la couche active par une différence de résistivité de ces deux couches lorsque la couche active et la couche germe présentent un dopage différent. En absence de dopage, il est parfois possible de distinguer l'interface entre les deux couches par TEM (Transmission Electron Microscopy). Par ailleurs, la couche germe 3 présente avantageusement une résistivité électrique comprise entre 10-3 et 0,1 ohm.cm. Cette résistivité est de préférence la plus faible possible, d'environ 10-3 ohm.cm, afin de faciliter une prise de contact ohmique avec le substrat support, ce qui correspond à une concentration de dopants comprise entre 10" et 1020 cm-3. Le matériau de la couche germe 3 et son niveau de dopage sont choisis de sorte à éviter de constituer une barrière de conduction électrique entre la couche active et le substrat support de l'hétérostructure finale. Le dopant souhaité peut être déjà présent dans la couche prélevée du donneur ou le dopage peut être réalisé par diffusion ou implantation d'espèces dopantes avant épitaxie de la couche active 4, selon le dispositif souhaité. De préférence, il s'agit d'un dopage de type n (par exemple par silicium) plus facile à effectuer sans compter qu'il facilite la prise du contact électrique avec la couche de collage 2. Par ailleurs, la couche germe 3 est suffisamment mince (entre 100 nm et 500 nm par exemple) pour que l'effet de son coefficient de dilatation thermique soit négligeable devant celui du substrat support 10 et celui de la couche active 4.
Couche active Pour répondre au critère de conductivité de l'hétérostructure 1 et pouvoir supporter un champ électrique important (i.e. de l'ordre de 106 V.cm-l), la couche active 4 épitaxiée d'AIXInyGa(l_X_y)N comprend des dopants avec une concentration inférieure ou égale à 10" cm-3, afin d'étaler au maximum la chute de potentiel électrique sur toute l'épaisseur de la couche. Le dopage est obtenu, par exemple par incorporation de silicium, ce qui conduit à un dopage de type n. Le dopage peut être effectué au cours de la croissance de la couche active 4.
Grâce au choix du matériau de la couche germe 3, la densité de dislocations dans la couche active est inférieure à 108 cm-2, de préférence inférieure à 10' cm-2. Par ailleurs, un choix judicieux du substrat support 10, tel qu'exposé plus haut, permet d'obtenir une couche active 4 épaisse exempte de fissures, sur une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, de préférence d'environ 10 micromètres.
On précise à titre d'information que le terme fissure de la présente invention se différencie de la dislocation en ce que la fissure dans un film de matériau cristallin correspond à un clivage cristallin qui s'étend plus ou moins profondément dans l'épaisseur du film, i.e. une séparation du matériau en deux parties, ce qui crée de part et d'autre du clivage, deux surfaces libres en contact avec l'air tandis que le film comportant une dislocation reste continu. Selon un mode de réalisation préféré, la couche active 4 est réalisée en GaN. Selon un mode de réalisation particulier illustré à la figure 6, la couche active 4 se compose d'une pluralité de portions de couches, à savoir, en allant de la couche de collage vers la surface libre de la couche active : une portion 4a de GaN dopé de type n, une portion principale 4b, dont l'épaisseur est supérieure ou égale à 70% de l'épaisseur totale de la couche active, de GaN faiblement dopé (i.e. avec une concentration inférieure ou égale à 10'17 cm-3) et une portion 4c de GaN dopé de type p, ou inversement. Selon un autre exemple, la couche active 4 d'une diode PIN est constituée d'une portion principale 4b de GaN, d'une portion sous-jacente 4a d'InGaN et d'une portion sus- jacente 4c d'InGaN. Comme il est bien connu de l'homme du métier ces dopages permettent d'obtenir les contacts électriques souhaités, par exemple en vue de réaliser une diode PIN. De manière préférée, le dopage de la couche active est réalisé au cours de l'épitaxie, avec un gaz précurseur tel que le silane pour un dopage de type n au silicium, ou un précurseur tel que CP2Mg pour un dopage de type p au magnésium.
De manière alternative, le dopage peut être obtenu par implantation (par exemple de silicium pour un dopage de type n, ou de magnésium pour un dopage de type p) ou encore, pour la portion sus-jacente, par diffusion d'espèces dans ladite portion (par exemple du silicium pour un dopage de type n, du magnésium pour un dopage de type p).
Couche de collage La couche de collage est réalisée en un ou des matériaux choisis de sorte à ce que l'énergie de collage entre le substrat support et le substrat donneur implanté soit supérieure au budget thermique de fracture. La compétition entre la fracture au niveau de la zone de fragilisation 31 et le décollement des substrats 10, 30 à l'interface de collage, qui conduirait à une fracture partielle et de mauvaise qualité de la zone de fragilisation, est ainsi évitée. Notamment, la couche de collage est en un matériau réfractaire qui ne se dégrade pas à la température d'épitaxie de la couche active. Par ailleurs, le matériau de la couche de collage 2 et son épaisseur sont choisis de sorte à minimiser la chute de potentiel électrique au niveau du collage. Généralement, l'épaisseur de la couche de collage 2 est ainsi inférieure ou égale à 1 micromètre. Cette épaisseur peut être plus importante selon la rugosité du substrat sur lequel elle est formée qu'il est nécessaire de lisser pour un collage efficace ; dans ce cas, la chute de potentiel électrique sera minimisée par le choix d'un matériau présentant une résistivité électrique plus faible. De préférence, la couche de collage 2 est électriquement et thermiquement conductrice, et le matériau qui la compose présente de préférence une résistivité électrique inférieure ou égale à 10-4 ohm.cm.
Toutefois, compte tenu de son épaisseur très inférieure à celle du substrat support, l'influence des conductivités électrique et thermique du matériau la constituant reste limitée. Il est donc possible de choisir pour cette couche d'autres matériaux que les métaux. La couche de collage 2 permet par ailleurs une faible résistance électrique de contact entre l'une de ses faces et la couche active d'une part, et entre son autre face et le substrat support d'autre part. Il est notamment souhaitable que la résistance spécifique de contact entre la couche de collage 2 et la couche germe 3 soit inférieure ou égale à 0,1 ohm-cm-2 afin de maintenir une bonne conductivité électrique verticale malgré une interface présentant un matériau semi-conducteur.
Pour ce faire, les matériaux de la couche de collage 2 et de la couche germe 3 sont choisis de sorte à ce que leur travail de sortie, i.e. l'énergie minimum, mesurée en électron-volts, nécessaire pour arracher un électron depuis le niveau de Fermi d'un matériau jusqu'à un point situé à l'infini en-dehors du matériau, soit dans le même ordre de grandeur. Un couple de matériau satisfaisant cette exigence est par exemple le GaN/W, le travail de sortie du GaN dopé de type n étant d'environ 4,1 eV tandis que celui du W est approximativement de 4,55 eV. Un autre couple considéré peut être le GaN/ZrB2 (le travail de sortie du ZrB2 est approximativement de 3,94 eV).
Une couche de titane peut par ailleurs favoriser l'adhérence et la prise de contact entre le matériau de la couche germe en matériau III/N et la couche de collage car il participe à abaisser la hauteur de la barrière de conduction à l'interface (le travail de sortie du Ti est d'environ 4,33 eV). Une couche de titane d'une épaisseur de 10 nm déposée sur le matériau de la couche germe 3 ou le matériau de la couche de collage 2 avant assemblage suffit à obtenir l'effet escompté. Un recuit thermique des deux matériaux permet également d'améliorer la résistance spécifique de contact par une meilleure interconnexion des matériaux à l'interface. La couche de collage est déposée sur le substrat donneur 30 avant implantation et/ou sur le substrat support 10. Le fait de réaliser l'implantation dans le substrat donneur après le dépôt de la couche de collage évite le risque d'une fracture au niveau de la zone implantée du fait du budget thermique apporté par le dépôt. Lorsque des couches de matériau de collage sont déposées à la fois sur le substrat donneur et le substrat support, la couche de collage 2 est constituée de l'ensemble de ces deux couches. On note que lorsque la rugosité de l'un des substrats (i.e. du substrat donneur ou du substrat support) est inférieure à 1 nm pour une surface de 5 micromètres x 5 micromètres mesuré par microscopie par force atomique (AFM) et présente une topologie de surface pic-vallée inférieure à 10 nm mesurée par profilométrie optique avec un appareil de type Wyko, il suffit de ne déposer la couche de collage que sur l'autre substrat. Il est observé que la rugosité mesurée est généralement similaire pour une surface allant de 1 micromètre x 1 micromètre à 10 micromètres x 10 micromètres. Le silicium polycristallin (p-Si) est un matériau de choix qui adhère bien au GaN, qui permet une planarisation de la surface du substrat support métallique et qui est facile à polir.
On peut ainsi atteindre une rugosité de surface avant collage d'au plus quelques angstrdms rms. Pour minimiser la diffusion éventuelle de silicium vers la couche épitaxiée 4, une barrière de diffusion (non représentée) peut être prévue, par exemple entre la couche germe et la couche de collage. Par exemple, cette barrière de diffusion pourra être un film d'AIN de quelques nanomètres d'épaisseur. Dans le cas d'une diffusion du silicium en phase vapeur au cours de l'épitaxie à partir des parois latérales de la couche vers l'extérieur de la structure, une couche formant une barrière de diffusion des zones latérales non recouvertes de la couche de p- Si peut être prévue. De manière alternative, on peut également former la couche de collage 2 en déposant un métal (par exemple du tungstène ou du molybdène), un oxyde métallique tel que l'oxyde de zinc, un siliciure formé ex-situ (par exemple SiW2 ou SiMo) ou un borure métallique (tel que TiB2, borure de chrome, borure de zirconium ou borure de tungstène) sur le substrat donneur 30 avant implantation et/ou sur le substrat support 10. En variante, il est possible de déposer un métal sur le substrat donneur 30 ou le substrat support 10 et de déposer un siliciure ou un borure sur l'autre substrat ; la couche de collage 2 sera alors constituée de l'association de ce métal avec le siliciure ou le borure.
Une autre possibilité consiste à réaliser la couche de collage 2 en oxyde d'indium-étain (ITO, acronyme du terme anglo-saxon « Indium Tin Oxide »). Ledit oxyde d'indium-étain étant thermiquement instable, il est de préférence encapsulé avant de réaliser l'épitaxie de la couche active 4. Le tableau ci-dessous donne les propriétés de quelques-uns des matériaux appropriés pour la couche de collage 2. La caractéristique indiquée dans la ligne L1 est la température de fusion (exprimée en °C) ; la caractéristique de la ligne L2 est la conductivité thermique (en W.m-'.K-1) ; celle de la ligne L3 est la résistivité électrique (en ohm.cm) et celle de la ligne L4 est le coefficient de dilatation thermique (en 10-6 K-'). p-Si MoSi2 TaSi2 WSi2 NbSi2 L1 1412 1870 2499 2320 2160 L2 130 58,9 L3 1,0.10-4 2,2.10-5 8,5.10-6 3,0.10-5 5,0.10-5 L4 8,12 8,8 û 9,54 30 ZrB2 WBx TiB2 CrB2 L1 3060 2385 2980 1850 - 2100 L2 58 64 20 - 32 L3 9,2.10-6 4,0.10-6 1,6-2,8.10-5 2,1.10-5 L4 Exemple de réalisation n °1 : couche de collage en p-Si On prépare d'une part le substrat donneur 30 par les étapes suivantes (cf. figure 2) : - Préparation de la face de polarité N d'un substrat massif 30 de GaN. Cette étape implique des techniques connues de planarisation et de polissage. - Dépôt par CVD ou PVD sur ladite face d'une couche 21 de p-Si d'une épaisseur de 100 à 500 nm. - Implantation dans le substrat donneur 30 d'espèces ioniques (de l'hydrogène par exemple) au travers de la couche 21 de p-Si. La profondeur d'implantation détermine l'épaisseur de la couche germe 3 de GaN. A titre indicatif, l'énergie d'implantation est comprise entre 80 et 180 keV et la dose est comprise entre 2 et 4.10" at/cm2. - Polissage par CMP (acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Mechanical Polishing ») de la couche 21 pour atteindre une rugosité compatible avec un collage. Typiquement, la rugosité avant collage doit être de l'ordre de quelques angstrôms rms.
D'autre part, en référence à la figure 3, on prépare le substrat support 10, qui est dans un alliage TaW contenant 75% de tungstène. Cette préparation comprend le dépôt sur ledit substrat support 10 d'une couche 22 de p-Si d'une épaisseur de quelques centaines de nanomètres. L'épaisseur de ladite couche 22 est adaptée en fonction de la morphologie de la surface du substrat support 10, de sorte que la planarisation par CMP de la couche de p- Si permettre d'atteindre une rugosité de surface de quelques angstrôms rms. On réalise ensuite un traitement chimique préalable à l'adhésion des deux couches 21, 22 de p-Si par collage hydrophile ou hydrophobe. A cet effet, on nettoie les surfaces pour retirer les contaminants et on effectue éventuellement un traitement oxydant ou désoxydant des surfaces par activation plasma, séchage et exposition à des atmosphères contenant de l'ozone (pour une oxydation). On peut également effectuer un préchauffage des surfaces à coller jusqu'à une température de 200°C environ. En référence à la figure 4, on met ensuite les surfaces des deux couches 21, 22 de p-Si en contact ; on forme ainsi une couche de collage 2 de p-Si d'une épaisseur totale de 100 nm à 1 micromètre.
De manière optionnelle, on consolide le collage par un traitement thermique appliqué de la température ambiante à environ 200°C d'une durée de quelques minutes à 2 heures. On applique ensuite le budget thermique de fracture avec une rampe de température entre la température ambiante et environ 600°C.
On obtient alors la structure illustrée à la figure 5. On retire la matière endommagée sur la surface fracturée (i.e. la surface de la couche germe 3) pour atteindre une rugosité de quelques angstrôms à quelques nanomètres rms, adaptée pour une reprise d'épitaxie. On obtient l'hétérostructure 1 illustrée à la figure 1 en faisant croître la couche active 4 sur la couche germe 3, sur l'épaisseur souhaitée. On peut par ailleurs recycler le reliquat du substrat donneur 30 en retirant, par gravure ionique ou chimique, le p-Si sur la face non fracturée. Exemple de réalisation n°2 : couche de collage en WSi2 On prépare d'une part le substrat donneur, ce qui inclut les étapes suivantes (cf. figure 2) : - Planarisation et polissage de la face de polarité N d'un substrat massif 30 de GaN. - Dépôt sur ladite face d'une couche 21 de siliciure WSi2 d'une épaisseur de 100 à 500 nm. - Mise en oeuvre d'un recuit de formation d'un contact ohmique avec le GaN. Ce recuit est effectué à une température comprise entre 600 et 1200°C pendant quelques minutes sous atmosphère neutre ou sous atmosphère comprenant du NH3 et a pour effet de diminuer la résistance de contact. - Implantation d'espèces ioniques, telles que de l'hydrogène, au travers de la couche 21 de WSi2 dans le substrat donneur 30, à une profondeur déterminant l'épaisseur de la couche germe 3 de GaN. L'énergie d'implantation est typiquement comprise entre 80 et 180 keV. - Polissage par CMP du WSi2 pour atteindre une rugosité compatible avec un collage (i.e. quelques angstrôms rms). D'autre part, on prépare le substrat support 10 en TaW comportant 75% de tungstène. A cet effet (cf. figure 3), on dépose sur ledit substrat 10 une couche 22 de WSi2 avec une épaisseur de quelques centaines de nanomètres. Comme exposé plus haut, l'épaisseur de la couche 22 de WSi2 est adaptée en fonction de la morphologie de la surface du substrat support 10, de sorte que la planarisation par CMP de la couche 22 de WSi2 permettre d'atteindre une rugosité de surface de quelques angstrôms rms.
Si nécessaire, on effectue un recuit de formation d'un contact ohmique avec le TaW. Les conditions de ce recuit sont une température comprise entre 600 et 1200°C, une durée de quelques minutes et une atmosphère neutre. On procède ensuite à une planarisation par CMP de la surface du WSi2.
On réalise ensuite un traitement chimique préalable à l'adhésion des deux couches de WSi2 par collage hydrophile ou hydrophobe. A cet effet, on nettoie les surfaces pour retirer les contaminants et on effectue éventuellement un traitement oxydant ou désoxydant des surfaces par activation plasma, séchage et exposition à des atmosphères contenant de l'ozone (pour une oxydation). On peut également effectuer un préchauffage des surfaces à coller jusqu'à une température de 200°C environ. On met ensuite les surfaces des deux couches 21, 22 de WSi2 en contact ; on forme ainsi une couche de collage 2 de WSi2 d'une épaisseur totale de 100 nm à 1 micromètre. De manière optionnelle, on consolide le collage par un traitement thermique appliqué de la température ambiante à environ 200°C d'une durée de quelques minutes à 2 heures. On applique ensuite le budget thermique de fracture avec une rampe de température entre la température ambiante et 600°C. On retire la matière endommagée sur la surface fracturée (i.e. la surface de la couche germe) par gravure sèche (RIE) ou polissage mécano-chimique (CMP) pour atteindre une rugosité de quelques angstrôms à quelques nanomètres rms, adaptée pour une reprise d'épitaxie. On obtient l'hétérostructure 1 illustrée à la figure 1 en faisant croître la couche active 4 sur la couche germe 3, sur l'épaisseur souhaitée. On peut par ailleurs recycler le substrat donneur en retirant, par gravure sèche (par exemple par gravure ionique réactive RIE) ou humide (c'est à dire chimique), le WSi2 sur la face non fracturée. Exemple de réalisation n °3 : On prépare d'une part le substrat donneur 30 par les étapes suivantes (cf. figure 2) : - Préparation de la face de polarité N d'un substrat massif 30 de GaN. Cette étape implique des techniques connues de planarisation et de polissage. - Dépôt par CVD ou PVD sur ladite face d'une couche 21 de W d'une épaisseur de 100 à 500 nm. - Implantation dans le substrat donneur 30 d'espèces ioniques (de l'hydrogène par exemple) au travers de la couche 21 de W. La profondeur d'implantation détermine l'épaisseur de la couche germe 3 de GaN. A titre indicatif, l'énergie d'implantation est comprise entre 80 et 180 keV et la dose est comprise entre 2 et 4.1017 at/cm2. - Polissage par CMP (acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Mechanical Polishing ») de la couche 21 pour atteindre une rugosité compatible avec un collage. Typiquement, la rugosité avant collage doit être de l'ordre de quelques angstrôms rms. D'autre part, en référence à la figure 3, on prépare le substrat support 10, qui est du molybdène. Cette préparation comprend le dépôt sur ledit substrat support 10 d'une couche 22 de W d'une épaisseur de quelques centaines de nanomètres. L'épaisseur de ladite couche 22 est adaptée en fonction de la morphologie de la surface du substrat support 10, de sorte que la planarisation par CMP de la couche de W permettre d'atteindre une rugosité de surface de quelques angstrôms rms. On réalise ensuite la mise en contact des deux surfaces des couches 21 et 22 de W pour un collage par adhésion moléculaire, on forme ainsi une couche de collage 2 de W d'une épaisseur totale de 100 nm à 1 micromètre. De manière optionnelle, on consolide le collage par un traitement thermique appliqué de la température ambiante à environ 200°C d'une durée de quelques minutes à 2 heures. On applique ensuite le budget thermique de fracture avec une rampe de température entre la température ambiante et environ 600°C. On obtient alors la structure illustrée à la figure 5. On retire la matière endommagée sur la surface fracturée (i.e. la surface de la couche germe 3) pour atteindre une rugosité de quelques angstrôms à quelques nanomètres rms, adaptée pour une reprise d'épitaxie. On obtient l'hétérostructure 1 illustrée à la figure 1 en faisant croître la couche active 4 de GaN sur la couche germe 3, sur l'épaisseur souhaitée. Exemple de composant électronique de puissance La figure 7 illustre un transistor vertical avec une grille verticale (également appelé « trench gate MOSFET ») réalisé par partir de l'hétérostructure 1 obtenu grâce à la présente invention. Sur la face arrière du substrat support 10, une couche métallique 100 (par exemple de l'aluminium) peut être déposée pour former un contact ohmique de drain. Toutefois, la conductivité du substrat support de l'invention est choisie de sorte à ne pas nécessiter obligatoirement une telle couche de contact. La couche active 4 de l'hétérostructure comprend successivement une portion sous- jacente 4a de GaN dopé n-, une portion principale de GaN dopée p+ avec un magnésium, et deux régions sus-jacentes 4c de GaN dopé n+ pour les contacts de source avec les couches 200 qui sont par exemple en alliage aluminium/titane.
Les deux régions 4c sont disposées de part et d'autre d'une tranchée pour former la grille verticale. La tranchée de grille est recouverte d'une couche 300 d'un matériau diélectrique (tel que SiO2 ou SiN) et la tranchée est remplie de silicium polycristallin 400.
Bien sûr, les modes de réalisation qui viennent d'être décrits en détails ne sont que des exemples de mise en oeuvre de la présente invention, mais n'en constituent aucunement des limitations. Notamment, l'invention peut être mise en oeuvre avec d'autres choix de matériaux, selon les critères exposés plus haut.
Claims (27)
- REVENDICATIONS1. Support pour l'épitaxie d'une couche (4) d'un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, caractérisé en ce qu'il comprend successivement de sa base vers sa surface : un substrat support (10), une couche de collage (2), une couche germe (3) monocristalline pour la croissance épitaxiale de ladite couche (4), et en ce que: le matériau du substrat support (10) présente une résistivité électrique inférieure à 10-3 ohm.cm et une conductivité thermique supérieure à 100 W.m-'.K-1, et la couche germe (3) est en un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, et - la résistance de contact spécifique entre la couche germe (3) et la couche de collage (2) est inférieure ou égale à 0,1 ohm.cm-2, et les matériaux du substrat support (10), de la couche de collage (2) et de la couche germe (3) sont réfractaires à une température supérieure à 750°C, de préférence à une température supérieure à 1000°C.
- 2. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche germe (3) est dopée avec une concentration de dopants comprise entre 1017 et 1020 cm-3.
- 3. Support selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits dopants sont de type n.
- 4. Support selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau du substrat support (10) est un métal choisi parmi le tungstène, le molybdène, le niobium et/ou le tantale et leur alliages binaires, ternaires ou quaternaires, tels que TaW, MoW, MoTa, MoNb, WNb ou TaNb.
- 5. Support selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat support (10) est en TaW comprenant au moins 45% de tungstène ou en MoTa comprenant plus de 65% de molybdène.35
- 6. Support selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau de la couche de collage (2) comprend du silicium polycristallin, du siliciure, de préférence du siliciure de tungstène ou du siliciure de molybdène, du tungstène, du molybdène, de l'oxyde de zinc, un borure métallique tel que le borure de zirconium, le borure de tungstène, le borure de titane ou le borure de chrome, et/ou de l'oxyde d'indium-étain.
- 7. Support selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de collage (2) est en un matériau présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10-4 ohm.cm.
- 8. Support selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche germe (3) présente une résistivité électrique comprise entre 10-3 et 0,1 ohm.cm.
- 9. Hétérostructure (1) pour la fabrication de composants électroniques de puissance, de composants optoélectroniques ou de composants photovoltaïques, comprenant successivement de sa base vers sa surface un support selon l'une des revendications 1 à 8, et, sur la couche germe (3) dudit support, une couche (4) monocristalline, sans fissure, dite « couche active » d'un matériau de composition AIXInyGa(l_X_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, présentant une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, la couche germe (3) présentant une différence de paramètre de maille avec le matériau de la couche active (4) inférieure à 0,005 Â et la couche active (4) présentant une portion principale (4b) dont l'épaisseur représente entre 70 et 100% de l'épaisseur de la couche active (4) et dont la concentration de dopants est inférieure ou égale à 1017 cm-3.
- 10. Hétérostructure selon la revendication 9, caractérisée en ce que le coefficient de dilatation thermique du matériau du substrat support (10) est compris entre un coefficient minimal inférieur de 0,5.10-6 K-' à celui du coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale (4b) de la couche active (4) et un coefficient maximal supérieur de 0,6.10-6 K-' au coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale (4b) de la couche active (4) à la température de formation par épitaxie de la couche active (4).
- 11. Hétérostructure selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la couche active (4) présente une densité de dislocations inférieure à 108 cm-2, et de préférence inférieure à 10' cm-2.
- 12. Hétérostructure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la portion principale (4b) de la couche active (4) est intercalée entre une couche sous-jacente (4a) et une couche sus-jacente (4c) comprenant chacune une concentration de dopants de type différent supérieure à 10"cm-3.
- 13. Hétérostructure selon la revendication 12, caractérisée en ce que le matériau de la portion principale (4b) et des portions sousùjacente (4a) et sus-jacente (4c) est du GaN.
- 14. Hétérostructure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la portion principale (4b) de la couche active est intercalée entre une portion sous-jacente (4a) et une portion sus-jacente (4c), chacune de ces portions (4a, 4b, 4c) étant constituée d'un matériau AIXInyGa(l_x_y)N de composition différente.
- 15. Hétérostructure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que l'épaisseur de la portion principale (4b) représente 100% de l'épaisseur de la couche active (4) et que le matériau de la portion principale (4b) est du GaN dopé de type n, de préférence du GaN dopé au silicium.
- 16. Hétérostructure selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisée en ce que la portion principale (4b) de la couche active (4) et la couche germe (3) sont constituées du même matériau.
- 17. Hétérostructure selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que le substrat support (20) est en molybdène, la couche de collage (2) est en tungstène, la couche germe (3) est en GaN et la couche active (4) est en GaN.
- 18. Procédé de fabrication d'un support pour l'épitaxie d'une couche (4) d'un matériau de composition AIXInyGa(l_x_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, caractérisé en ce qu'il comprend : (a) la fourniture d'un substrat support (10) présentant une résistivité électrique inférieure à 10-3 ohm.cm et une conductivité thermique supérieure à 100 W.m-'.K-1,(b) la fourniture d'un substrat donneur (30), ledit substrat (30) comprenant une couche germe (3) monocristalline adaptée pour la croissance épitaxiale de ladite couche (4), (c) la formation d'une couche de collage (2) sur le substrat donneur (30) et/ou sur le substrat support (10), les matériaux du substrat support (10), de la couche germe (3) et de la couche de collage (2) étant choisis réfractaires à une température supérieure à 750°C, de préférence à une température supérieure à 1000°C, et choisis de sorte que la résistance de contact spécifique entre la couche germe (3) et la couche de collage (2) soit inférieure ou égale à 0,1 ohm.cm-2, (d) le collage par adhésion moléculaire du substrat donneur (30) sur le substrat support (10), la couche de collage (2) étant située à l'interface, (e) l'amincissement du substrat donneur (30) pour le transfert de la couche germe (3) sur le substrat support (10).
- 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la couche germe (3) est formée dans le substrat donneur (30) par implantation ionique de manière à créer dans le substrat donneur (30) une zone de fragilisation (31) à une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur de la couche germe (3).
- 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite étape d'implantation est réalisée après la formation de la couche de collage (2) sur le substrat donneur (30), l'implantation étant effectuée à travers la couche de collage (2).
- 21. Procédé selon l'une des revendications 18 ou 20, caractérisé en ce qu'il comprend le dopage de la couche germe (3), ledit dopage étant réalisé par implantation ou diffusion d'espèces dopantes.
- 22. Procédé selon l'une des revendications 18 à 21, caractérisé en ce que lorsque la rugosité du substrat donneur (30) ou du substrat support (10) est inférieure à 1 nm pour une surface de 5 micromètres x 5 micromètres mesurée par AFM et présente une topologie de surface pic-vallée inférieure à 10 nm, la couche de collage (2) n'est déposée que sur l'autre substrat.
- 23. Procédé selon l'une des revendications 18 à 21, caractérisé en ce que lorsque la rugosité du substrat support (10) est supérieure ou égale à 1 nm pour une surface de 5 micromètres x 5 micromètres mesurée par AFM et présente une topologie de surface pic-vallée supérieure ou égale à 10 nm, la couche de collage est déposée et polie jusqu'à atteindre une rugosité inférieure à 1 nm et une topologie de surface pic-vallée inférieure à 10 nm.
- 24. Procédé de fabrication d'une hétérostructure (1) comprenant une couche (4) monocristalline, dite « couche active » en un matériau de composition AIXInyGa(l_X_y)N, où 05x51, 05y51 et x+y51, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - la formation selon l'une des revendications 18 à 23 du support pour l'épitaxie de ladite couche (4), - après la formation dudit support, une étape (f) de croissance par épitaxie de ladite couche active (4) sur la couche germe (3), sans fissure, jusqu'à l'obtention d'une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, la couche active (4) présentant une portion principale (4b) dont l'épaisseur représente entre 70 et 100% de l'épaisseur de la couche active (4) et dont la concentration de dopants est inférieure ou égale à 1017 cm-3 et le matériau de la couche germe (3) étant choisi pour présenter une différence de paramètre de maille avec le matériau de la portion principale (4b) de la couche active (4) inférieure à 0,005 Â.
- 25. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'on choisit le matériau du substrat support (10) de telle sorte que son coefficient de dilatation thermique soit compris entre un coefficient minimal inférieur de 0,5.10-6 K-' au coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale (4b) de la couche active (4) et un coefficient maximal supérieur de 0,6.10-6 K-1 au coefficient de dilatation thermique du matériau de la portion principale (4b) de la couche active (4) à température d'épitaxie de la couche active.
- 26. Procédé selon l'une des revendications 24 ou 25, caractérisé en ce qu'il comprend le dopage de la couche active (4), ledit dopage étant réalisé pendant l'étape (f) d'épitaxie ou, après l'épitaxie, par implantation ou diffusion d'espèces dopantes.
- 27. Procédé selon l'une des revendications 18 à 26, caractérisé en ce que le matériau du substrat support (10) est un métal choisi parmi le tungstène, le molybdène, le niobium et/ou le tantale et leur alliages binaires, ternaires ou quaternaires, tels que TaW, MoW, MoTa, MoNb, WNb ou TaNb. 35
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