FR3001331A1 - Procede de fabrication d'une couche a base de nitrure d'element iii par decollement spontane - Google Patents

Procede de fabrication d'une couche a base de nitrure d'element iii par decollement spontane Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III (9), comprenant au moins les étapes suivantes : - Implantation (10, 50) d'ions de fragilisation dans un support de croissance (6), l'étape d'implantation permettant de créer une zone fragilisée (7), - dépôt (60) d'un masque diélectrique ou métallique (8) sur le support de croissance (6), - croissance (20, 70) de la couche semi-conductrice (9) à base de nitrure d'élément III, sur le support de croissance (6), par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) jusqu'à une épaisseur donnée suffisante pour induire une séparation spontanée (80) au niveau de la zone fragilisée (7).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE COUCHE A BASE DE NITRURE D'ELEMENT III PAR DECOLLEMENT SPONTANE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de réalisation d'une couche semi-conductrice - par exemple autosupportée - à base d'éléments des colonnes III et V du tableau périodique. Une telle couche peut être destinée à la fabrication de structures semiconductrices telles que des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser (DL). PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR Les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures d'éléments III du tableau périodique - tels que les matériaux à base de nitrure de gallium GaN - occupent une place de plus en plus importante dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique, notamment pour la fabrication de composants semi-conducteurs tels que des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser (DL).
Les procédés actuels de fabrication de matériaux semi-conducteurs à base de nitrure d'élément III reposent sur la technique dite d'hétéro-épitaxie qui consiste à faire croître un cristal - tel qu'un cristal de nitrure de gallium GaN - sur un substrat de départ de nature différente - tel qu'un substrat de saphir.
Toutefois, la technique d'hétéro-épitaxie induit de nombreux défauts cristallins dans la structure de nitrure d'élément III, tels que des dislocations. Ces défauts cristallins limitent les performances et la durée de vie des composants à base de nitrure d'élément III.
Ces défauts proviennent de la différence de matériau entre le substrat de départ (sur lequel est mise en oeuvre la croissance de nitrure d'élément III) et la couche de nitrure d'élément III à partir de laquelle est fabriqué le composant semi-conducteur. Par exemple dans le cas de la fabrication d'une couche de nitrure de gallium, le substrat de départ généralement utilisé pour la croissance est du saphir dont les paramètres de réseau cristallin (i.e. paramètre de maille) et les paramètres d'expansion thermique sont très différents de ceux du nitrure de gallium GaN. L'amélioration des techniques de fabrication permet aujourd'hui de fabriquer des couches à base de nitrure d'élément III présentant un nombre limité de défauts cristallins (densité de dislocation TDD < 5.108 cm-2, où « TDD » est le sigle de l'expression anglo-saxonne « Threading Dislocation Density »). La plupart des procédés de fabrication actuels permettent d'obtenir des couches de nitrure d'élément III d'orientation (0001) - dite orientation polaire. En effet, ces procédés de fabrication utilisent des substrats saphir A1203 d'orientation (0001) pour faire croître les couches de nitrure d'élément III. Les composants optoélectroniques réalisés sur des couches de nitrure d'élément III 15 d'orientation polaire sont soumis à des effets de polarisation dus à la structure hexagonale du matériau. Ceci diminue considérablement le rendement de ces composants optoélectroniques, tel que le rendement quantique interne d'une diode électroluminescente (DEL) réalisée sur une couche de nitrure de gallium d'orientation polaire. 20 Depuis quelques années, de nombreux groupes de recherche se sont intéressés à d'autres orientations cristallines pour éliminer totalement (orientation non-polaire) ou partiellement (orientation semi-polaire) ces effets de polarisation. 25 Toutefois, même si la croissance d'une couche de nitrure d'élément III sur un substrat saphir A1203 d'orientation non-polaire ou semi-polaire permet d'obtenir une couche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire, la qualité cristalline d'une telle couche d'orientation non-polaire ou semi-polaire n'est pas suffisante pour permettre la fabrication de composants optoélectroniques, 30 notamment du fait de la présence de fautes d'empilement. A l'heure actuelle, la seule méthode permettant d'obtenir une couche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire, dont la qualité est proche de celle des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire consiste à : - faire croître une couche 1 très épaisse de nitrure d'élément III d'orientation polaire et - réaliser une découpe transversale de la couche de nitrure d'élément III d'orientation polaire pour obtenir : o une tranche 2 de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou o une tranche 3 de nitrure d'élément III d'orientation semi-polaire, et - polir la tranche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire 2, 3.
Cette méthode permet d'obtenir des tranches 2, 3 de nitrure d'élément III de surface comprise entre 1 et 5 cm2, ces tranches ayant une qualité sensiblement identique à celle des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire. Toutefois, les faibles dimensions de ces tranches 2, 3 ne permettent pas une industrialisation de cette méthode. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de couches de nitrure d'élément III, notamment d'orientation non-polaire ou semi-polaire : - ayant les mêmes dimensions que les couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire, et - ayant une qualité sensiblement équivalente voire supérieure à celle des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire.
RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III (ladite couche ayant une orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire), le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : - implantation d'ions de fragilisation dans un support de croissance, l'étape d'implantation permettant de créer une zone fragilisée, - dépôt d'un masque diélectrique ou métallique sur le support de croissance, - croissance de la couche semi-conductrice à base de nitrure d'élément III sur le support de croissance, par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) jusqu'à une épaisseur donnée suffisante pour induire une séparation spontanée au niveau de la zone fragilisée. La combinaison des étapes d'implantation et de dépôt du masque permet d'une part d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III déposée sur le support de croissance, et d'autre part d'affaiblir la liaison entre la couche de nitrure d'élément III et le support de croissance à l'interface entre ceux-ci. La croissance de la couche de nitrure d'élément III par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) permet également d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III. Enfin, l'utilisation d'un support de croissance présentant une surface de croissance d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire, permet la croissance d'une couche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire de grandes dimensions. On entend, dans le cade de la présente invention, par orientation cristalline non- polaire ou semi-polaire d'un matériau, toute orientation cristalline dans laquelle l'axe C [0001] forme un angle avec la normale à la surface de croissance du matériau. Il sera entendu dans la suite que lorsqu'une couche A est mentionnée comme étant sur une couche B, celle-ci peut être directement sur la couche B, ou peut être située 20 au-dessus de la couche B et séparée de ladite couche B par une ou plusieurs couches intermédiaires. Il sera également entendu que lorsqu'une couche A est mentionnée comme étant sur une couche B, celle-ci peut couvrir toute la surface de la couche B, ou une portion de 25 ladite couche B. Des aspects préférés mais non limitatifs du procédé selon l'invention sont les suivants : le procédé comprend en outre une étape de formation du support de 30 croissance par dépôt d'un film monocristallin à base de nitrure d'élément III sur un substrat cristallin d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, l'implantation d'ions de fragilisation étant réalisée dans le film monocristallin de sorte à créer une zone fragilisée dans le film monocristallin ; - les ions de fragilisation sont choisis parmi le Tungstène, l'Hélium, le Néon, le Krypton, le Chrome, le Molybdène, le Fer, l'Hydrogène, ou le Bore ; - les ions de fragilisation sont des ions de tungstène ; ceci permet d'obtenir une décomposition chimique du nitrure d'élément III ainsi que la création de vide dans la zone fragilisée, ce qui contribue à l'affaiblissement de la liaison entre la couche de nitrure d'élément III et le support de croissance, - l'étape d'implantation est réalisée de sorte que la zone fragilisée se situe à l'interface entre le support de croissance et le masque; - l'étape d'implantation comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une dose d'implantation comprise entre 1015 et 1017 cm-2 ; - l'étape d'implantation comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une énergie d'implantation comprise entre 5 keV et 200 keV, préférentiellement entre 75 KeV et 100 KeV ; 15 - la séparation spontanée au niveau de la zone fragilisée est mise en oeuvre au cours du retour à la température ambiante après l'étape de croissance de la couche de nitrure d'élément III ; ceci permet de limiter les risques de craquement de la couche de nitrure d'élément III du fait des contraintes mécaniques subies par celle-ci lors du 20 refroidissement, - le substrat cristallin est choisi parmi le saphir, ZnO, 6H-SiC, LiAIO2, LiGaO2, MgA1204, Si, GaAs, AIN, GaN, AlGaN ; - le substrat cristallin est un substrat en saphir A1203 ; ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III 25 fabriquée sur celui-ci, - le substrat cristallin est un substrat en saphir A1203 d'orientation cristalline choisie parmi un plan R tel que le plan (1-102) ou un plan M tel que le plan (10-10) ; ceci permet d'orienter la croissance de la couche de nitrure d'élément III selon 30 une orientation non-polaire ou semi-polaire ; - le substrat cristallin est un substrat en saphir A1203 d'orientation cristalline choisie parmi un plan A tel que le plan (11-20), ou un plan C (0001) ; - l'étape de dépôt d'un masque (diélectrique ou métallique) comprend le dépôt d'une couche (de diélectrique ou de métal) et la gravure de la couche (de diélectrique ou de métal) pour former des ouvertures, le nombre et les dimensions des ouvertures étant prévus de sorte que la proportion de surface de film monocristallin recouverte par le matériau (diélectrique ou métallique) soit comprise entre 20 et 95 % de la surface totale du film monocristallin, et de préférence entre 50 et 95% ; ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III fabriquée sur le support de croissance, notamment en filtrant un grand nombre de dislocations traversantes issues du support de croissance, - les ouvertures sont en forme de bande de largeur inférieure à 10 micromètres ; ceci permet de faciliter la mise en oeuvre de l'étape de dépôt du masque, - le rapport de : o l'espacement entre deux ouvertures successives, divisé par o la largeur d'une ouverture, est compris entre deux et dix ; ceci permet d'améliorer encore la qualité de la couche de nitrure d'élément III en filtrant les défauts cristallins présents dans le support de croissance, - le masque est un masque diélectrique, le matériau constituant le masque diélectrique étant du SiNx ou du SiO2 ou du TiN; ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III en limitant les défauts en bord de masque ; en variante, le masque peut être un masque métallique, le matériau constituant le masque étant du W, du Mo ou du Cr ; - l'étape de formation d'un film monocristallin est effectuée par : o épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM), o épitaxie par jet moléculaire (EJM), o épitaxie phase vapeur aux hydrures (EPVH), o épitaxie en phase liquide (EPL) ; - l'étape de formation d'un film monocristallin est effectuée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) ; ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III en minimisant dès le début du procédé la densité de défauts présents dans le support de croissance préalablement à la croissance de la couche de nitrure d'élément III ; - le support comporte une surface de croissance d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire. L'invention concerne également un support de croissance incluant une surface de 5 croissance d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, remarquable en ce qu'il comprend une zone fragilisée par implantation d'ions de fragilisation. De préférence le support de croissance comprend un film monocristallin à base de 10 nitrure d'élément III sur un substrat cristallin d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, la zone fragilisée s'étendant dans le film monocristallin. Le support de croissance peut également comprendre un masque (diélectrique ou métallique) sur la surface de croissance. 15 L'invention concerne également une couche semi-conductrice à base de nitrure d'élément III non-polaire ou semi-polaire, ladite couche étant susceptible d'être obtenue par le procédé décrit ci-dessus. Dans tous les cas, cette couche comprend : - une densité de défaut comprise entre 1 et 5x109, et/ou 20 - une densité de fautes d'empilement comprise entre 1 et 5x105 cm-1, et préférentiellement - une rugosité de surface comprise entre 3nm et lOnm. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 D'autres avantages et caractéristiques du procédé selon l'invention et du produit associé ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels : 30 - la figure 1 illustre différentes orientations (i.e. semi-polaire et non-polaire) dans un cristal de nitrure de gallium ; - la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III ; - la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On va maintenant décrire plus en détail le procédé selon l'invention en référence à la croissance d'une couche de nitrure de gallium GaN permettant de produire des diodes électroluminescentes. Toutefois, il est bien évident pour l'homme du métier que le procédé décrit ci-après peut être utilisé pour faire croître un matériau à base de nitrure d'élément III autre que du nitrure de gallium, ce matériau pouvant être utilisé pour réaliser d'autres structures semi-conductrices que des diodes électroluminescentes. 15 1. Principe général On a illustré à la figure 2 les étapes d'un procédé permettant de réaliser une couche de nitrure de gallium autosupportée par dépôt de nitrure de gallium sur un support de croissance. 20 De manière générale, l'opération de dépôt comporte les étapes suivantes successivement : - une étape d'implantation 10 d'ions de fragilisation dans le support de croissance, 25 - au moins une étape de surcroissance épitaxiale latérale 20 (ou « ELO », sigle de l'expression anglo-saxonne « Epitaxial Lateral Overgrowth ») sur le support de croissance pour épitaxier une couche de nitrure de gallium d'orientation non-polaire ou semi-polaire, et - une étape de séparation 30 de la couche de nitrure de gallium d'orientation 30 non-polaire ou semi-polaire de son support de croissance. Le support de croissance peut être constitué d'un unique matériau. Par exemple le support de croissance peut être une couche de nitrure de gallium.
En variante, le support de croissance peut être constitué d'un empilement de couches. Par exemple, le support de croissance peut être constitué d'un empilement incluant une couche de nitrure de gallium sur une couche de nitrure d'aluminium sur un substrat saphir. 1.1. Implantation/séparation L'étape d'implantation 10 permet de créer une zone fragilisée à l'interface entre le support de croissance et la couche de nitrure de gallium. La présence de cette zone fragilisée induit la séparation spontanée de la couche de nitrure de gallium de son support de croissance. Cette séparation spontanée est due au cycle thermique (épitaxie à haute 15 température suivie d'un refroidissement à température ambiante) que subit la couche de nitrure de gallium lors de l'étape de surcroissance ELO qui succède à l'étape d'implantation. De préférence, les ions de fragilisation implantés lors de l'étape d'implantation sont zo des ions de tungstène. Ceci permet une décomposition locale du support de croissance dans la région implantée, notamment dans le cas où celui-ci inclut une couche de nitrure de gallium. 25 En effet, les ions tungstène permettent de décomposer des matériaux tels que le nitrure de gallium. 1.2. Surcroissance épitaxiale latérale 30 L'étape de surcroissance ELO 20 permet de minimiser la densité de défauts contenus dans la couche de nitrure de gallium. L'approche utilisée pour réduire la densité de dislocations dans la couche de nitrure de gallium GaN consiste à : 10 - initier un mode de croissance du nitrure de gallium GaN par îlot, puis à - favoriser la coalescence des îlots pour obtenir la couche de nitrure de gallium GaN, - continuer la croissance de la couche de nitrure de gallium GaN jusqu'à obtention de l'épaisseur souhaitée. L'étape de surcroissance ELO peut être basée : - sur l'utilisation d'un masque diélectrique ou métallique incluant des ouvertures dans lesquelles se forment les îlots, tel que décrit dans le document W099/20816 ; - sur l'utilisation d'une couche de diélectrique ou de métal dépourvue d'ouverture sur laquelle se forment spontanément des îlots, tel que décrit dans le document EP 1 338 683 (voir exemple 5).
Outre les avantages mentionnés ci-dessus, la combinaison des étapes successives d'implantation et de surcroissance ELO présente de nombreux avantages. En effet, le fait que l'étape d'implantation soit réalisée avant l'étape de surcroissance ELO permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium épitaxiée lors de l'étape de croissance ELO, notamment en termes de planéité. Par ailleurs, le fait que l'étape de surcroissance ELO soit réalisée après l'implantation permet de fragiliser l'interface entre le support de croissance et la couche de nitrure de gallium. 2. Variante de réalisation : En référence à la figure 3, on a illustré une variante de réalisation d'un procédé de fabrication d'une couche de nitrure de gallium d'orientation non-polaire ou semi- polaire à partir d'un substrat initial. Le procédé comprend les étapes suivantes : - Dépôt 40 d'un film monocristallin 5 sur un substrat initial 4 pour obtenir un support de croissance 6, - Implantation 50 d'ions de fragilisation dans un support de croissance 6, - Dépôt 60 d'un masque 8 diélectrique ou métallique sur le support de croissance 6, - Croissance 70 d'une couche de nitrure de gallium 9 sur le support de croissance 6, - Séparation 80 de la couche de nitrure de gallium 9. 2.1. Substrat Le substrat initial 4 peut présenter une épaisseur de quelques centaines de micromètres - généralement 350 micromètres - et être traité par nitruration préalablement à toute étape de dépôt de nitrure de gallium. Le substrat initial 4 peut être choisi parmi Si, AIN, GaN, GaAs, A1203 (saphir), ZnO, SiC, LiAIO2, LiGaO2, MgA1204, 4H-SiC, ou tout autre type de substrat initial connu par l'homme du métier pour mettre en oeuvre une croissance de nitrure de gallium. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, le substrat initial 4 est un substrat saphir. Ceci permet d'améliorer la qualité optoélectronique de la couche de nitrure de gallium fabriquée sur celui-ci. L'orientation des nitrures dans la couche de nitrure de gallium dépend de l'orientation cristalline du substrat initial 4 sur lequel la croissance est réalisée.
Le substrat initial 4 peut présenter une orientation cristalline dans un plan R (1-102) ou dans un plan M (10-10). Dans le cas d'un saphir initial 4 d'orientation cristalline dans un plan R, le nitrure de gallium croît suivant la direction dite non-polaire A [11-20]. On obtient alors une couche de nitrure de gallium d'orientation non-polaire. Dans le cas d'un saphir initial 4 d'orientation cristalline dans un plan M, on obtient une couche de nitrure de gallium d'orientation semi-polaire [11-22], ou (1-103).
Le substrat initial 4 peut également présenter d'autres orientations cristallines telles qu'une orientation cristalline polaire C(0001), ou encore une orientation cristalline dans un plan A (11-20). 2.2. Formation du film monocristallin Le procédé comprend une étape de formation d'une couche tampon sur le substrat initial suivie d'une étape de formation d'un film de nitrure de gallium, l'ensemble constituant le film de nitrure de gallium 5 représenté en figure 3, étape de formation 10 40. Cette étape de formation d'un film de nitrure de gallium 5 peut être réalisée par : - épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM), - épitaxie par jet moléculaire (EJM), 15 - épitaxie phase vapeur aux hydrures (EPVH), - épitaxie en phase liquide (EPL). Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, la formation du film de nitrure de gallium 5 est effectuée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques 20 (EPVOM). Ceci permet de filtrer les défauts cristallins et ainsi de minimiser dès le début du procédé la densité de défauts qui sera présente dans la couche de nitrure de gallium épitaxiée par la suite. L'épaisseur du film de nitrure de gallium 5 peut être comprise entre 0.1 et 20 pm, 25 préférentiellement entre 1 et 2.5 pm, et encore plus préférentiellement de l'ordre de 2 pm. Dans d'autres variantes de réalisation, l'étape de formation d'une couche tampon peut également comprendre une étape de dépôt d'une couche de nitrure 30 d'aluminium, par exemple dans le cas d'un substrat initial de silicium. La formation d'une couche tampon incluant une couche de nitrure d'aluminium AIN permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium GAN déposée ultérieurement, notamment dans le cas d'un substrat initial de Si qui présente un coefficient d'expansion thermique très différent du nitrure de gallium. 2.3. Etape d'implantation A l'issue de l'étape de formation du film de nitrure de gallium 5 sur le substrat initial 4, on obtient le support de croissance 6 pour la croissance de la couche de nitrure de gallium non-polaire ou semi-polaire.
Une implantation 50 d'ions de fragilisation est mise en oeuvre dans ce support de croissance 6. Cette implantation 50 permet la création d'une zone fragilisée 7 au niveau de la face supérieure du support de croissance 6. Les ions implantés peuvent être choisis parmi le Tungstène, l'Hélium, le Néon, le Krypton, le Chrome, le Molybdène, le Fer, l'Hydrogène, ou le Bore. De préférence, les ions implantés sont des ions de tungstène. Ceux-ci présentent la particularité de décomposer le nitrure de gallium.
En termes de dose en ions de fragilisation, lorsque les ions implantés sont des ions tungstène, la dose d'ions implantés peut être comprise entre 1015 et 1017 cm-2, et la profondeur d'implantation peut varier entre 10 nm et 100 nm en partant de la surface libre 61 - appelée surface de croissance - du support de croissance 6.
L'implantation 50 d'ions de fragilisation peut être mise en oeuvre lors d'une étape unique ou lors d'étapes successives. La température peut être comprise entre 4K et 1000K lors de l'étape d'implantation. Dans tous les cas, l'étape d'implantation 50 est réalisée de sorte que la zone fragilisée 7 se situe à l'interface entre le support de croissance 6 et le masque 8. 2.4. Dépôt du masque Après l'implantation, un masque 8 est déposé (étape 60) sur le support de croissance 6. Ce masque 8 permet d'une part de fragiliser l'interface entre le support de croissance 6 et le masque 8, et d'autre part d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium 9 épitaxiée sur celui-ci lors d'une étape de croissance ultérieure 70 (en filtrant les défauts traversants du support de croissance). Le masque peut être un masque en matériau diélectrique ou métallique. Lorsque le masque est un masque diélectrique, le matériau le constituant est de préférence du type SiNx ou de SiO2 ou de TiN. Ceci permet de minimiser les défauts créés en bord de masque et améliore ainsi la qualité de la couche de nitrure de gallium 9 épitaxiée ultérieurement sur celui-ci. Lorsque le masque est un masque métallique, le matériau le constituant est de préférence du type Tungstène (W) ou Molybdène (Mo) ou Chrome (Cr). Le dépôt 60 du masque 8 peut être réalisé dans la chambre de croissance du nitrure de gallium à partir de silane et d'ammoniac directement sur le support de croissance décrit ci-dessus.
Le dépôt 60 du masque 8 peut être réalisé par toute technique connue de l'homme du métier. Par exemple, dans un mode de réalisation l'étape de dépôt du masque (diélectrique ou métallique) comprend : - le dépôt d'une couche (de diélectrique ou de métal) sur toute la surface du support de croissance, et - la gravure de la couche (de diélectrique ou de métal) - notamment par photolithographie - de façon à définir des ouvertures 81 dans la couche (de diélectrique ou de métal) exposant des régions micrométriques de la surface de croissance du support de croissance.
Les ouvertures 81 définies lors de la gravure peuvent être ponctuelles ou sous forme de bandes. Avantageusement, les ouvertures ponctuelles peuvent être inscrites dans un cercle de rayon inférieur à 10 micromètres, tandis que les ouvertures en forme de bande ont une largeur inférieure à 10 micromètres, la longueur des bandes n'étant limitée que par les dimensions du support de croissance. Lorsque les ouvertures 81 sont en forme de bande, l'espacement entre deux ouvertures 81 adjacentes peut être deux à dix fois plus important que la largeur de l'ouverture. Ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium épitaxiée sur celui-ci lors de l'étape de croissance ultérieure. En effet, plus l'espacement entre deux ouvertures adjacentes est important, plus le 10 masque permet de bloquer les défauts - comme les fautes d'empilement et les dislocations traversantes - présents dans le support de croissance. Dans tous les cas, l'espacement entre les ouvertures est prévu de sorte à permettre l'épitaxie localisée de nitrure de gallium puis la croissance anisotrope et latérale de 15 nitrure de gallium. 2.5. Croissance de la couche de nitrure de gallium Une fois le masque 8 déposé, une étape de croissance 70 de la couche de nitrure de zo gallium 9 est mise en oeuvre. L'étape de croissance 70 est réalisée par ELO. Ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium GaN en réduisant la densité de dislocations et de fautes d'empilements qui se propagent dans une zone restreinte à partir des 25 ouvertures du masque. Le principe de croissance ELO est par exemple le suivant. Lors de l'épitaxie de la couche de nitrure de gallium GaN 9, le nitrure de gallium croît préférentiellement dans les ouvertures du masque par épitaxie sur le nitrure de gallium 5. 30 Les paramètres de croissance sont ajustés pour que le nitrure de gallium GaN se développe latéralement. Cette croissance latérale se poursuit. jusqu'à recouvrir progressivement les zones couvertes du masque sans y adhérer.
Cette zone de croissance latérale au dessus du masque est exempte de dislocations et de fautes d'empilements puisqu'elle se développe selon une direction formant un angle avec la direction des défauts. La coalescence intervient lorsque les fronts de croissance de deux cristaux adjacents se rencontrent en formant un joint de coalescence, à l'aplomb des bandes de diélectrique. La croissance de la couche de nitrure de gallium 9 est ensuite poursuivie jusqu'à l'obtention d'une épaisseur de nitrure de gallium GaN désirée (croissance 2D).
Lors de cette étape de croissance 70 de la couche de nitrure de gallium GaN 9, les ions de fragilisation implantés diffusent vers l'interface entre la surface du support de croissance et le masque. Les ions de fragilisation induisent une décomposition du nitrure de gallium déposé sur le substrat de saphir et la création de vides à l'interface entre le support de croissance et le masque. Le résultat est l'affaiblissement du nitrure de gallium dans cette zone d'interface.
La séparation spontanée au niveau de la zone fragilisée a lieu du fait du cycle thermique (haute température puis refroidissement) que subit la couche de nitrure de gallium après l'étape d'implantation. On obtient alors : - le support de croissance 6 d'une part et - la couche de nitrure de gallium autosupportée 9 d'autre part. Cette couche de nitrure de gallium GaN autosupportée 9 peut ensuite être traitée par polissage mécanique ou chimique pour permettre son utilisation ultérieure comme substrat de nitrure de gallium GaN, Elle peut ensuite être utilisée pour la fabrication de composants électroniques ou optoélectroniques tels que des diodes laser, des diodes électroluminescentes, des photo-détecteurs, des transistors, etc.
Un autre avantage de la présente invention par rapport à l'état de la technique est qu'elle permet de réutiliser plusieurs fois le support de croissance 6 (et plus précisément le substrat de saphir 4 dans le cas du procédé illustré à la figure 3) après séparation de la couche de nitrure de gallium 9, repolissage et éventuellement reprise de croissance du film monocristallin 5. L'homme du métier aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit ci-dessus sans sortir matériellement des nouveaux enseignements présentés ici. Il est donc bien évident que les exemples qui viennent d'être donnés ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives.

Claims (24)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III, par exemple à base de nitrure de gallium GaN, caractérisé en ce que le procédé comprend au moins les étapes suivantes : - implantation (10, 50) d'ions de fragilisation dans un support de croissance (6), l'étape d'implantation permettant de créer une zone fragilisée (7), - dépôt (60) d'un masque diélectrique ou métallique (8) sur le support de croissance (6), croissance (20, 70) de la couche semi-conductrice (9) à base de nitrure d'élément III, sur le support de croissance (6), par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) jusqu'à une épaisseur donnée suffisante pour induire une séparation spontanée (80) au niveau de la zone fragilisée (7). 15
  2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, lequel comprend en outre une étape de formation du support de croissance (6) par dépôt (40) d'un film monocristallin (5) à base de nitrure d'élément III sur un substrat cristallin (4) d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, l'implantation d'ions de fragilisation étant réalisée dans le film monocristallin (5) de sorte à créer une 20 zone fragilisée (7) dans le film monocristallin (5).
  3. 3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les ions de fragilisation sont choisis parmi le Tungstène, l'Hélium, le Néon, le Krypton, le Chrome, le Molybdène, le Fer, l'Hydrogène, ou le Bore. 25
  4. 4. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel les ions de fragilisation sont des ions de Tungstène.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 30 l'étape d'implantation (10, 50) est réalisée de sorte que la zone fragilisée (7) se situe à l'interface entre le support de croissance (6) et le masque (8).
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'implantation (10, 50) comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une dose d'implantation comprise entre 1015 et 1017 cm-2.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'implantation (10, 50) comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une énergie d'implantation comprise entre 5 KeV et 200 KeV, préférentiellement entre 75 keV et 100 keV.
  8. 8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la séparation spontanée (80) au niveau de la zone fragilisée (7) est mise en oeuvre par un retour à la température ambiante après l'étape de croissance (20, 70) de la couche de nitrure d'élément III (9).
  9. 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat cristallin (4) est choisi parmi le saphir, ZnO, 6H-SiC, LiAlO2, LiGa02, MgA1204, Si, GaAs, AIN, GaN, AIGaN.
  10. 10. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le substrat cristallin (4) est un substrat en saphir A1203.
  11. 11. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le substrat cristallin (4) est un substrat en saphir A1203 d'orientation cristalline choisie parmi un plan R tel que le plan (1-102) ou un plan M tel que le plan (10-10).
  12. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel le substrat cristallin (4) est un substrat en saphir A1203 d'orientation cristalline choisie parmi un plan A tel que le plan (11-20), ou un plan C (0001).
  13. 13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de dépôt (60) d'un masque (8) comprend le dépôt d'une couche et la gravure de la couche pour former des ouvertures (81), le nombre et les dimensions des ouvertures (81) étant prévus de sorte que la proportion de surface de film monocristallin (5) recouverte par le matériau diélectrique soit 3 0 0 1 3 3 1 20 comprise entre 20 et 95 % de la surface totale du film monocristallin, et de préférence entre 50 et 95%.
  14. 14. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel les 5 ouvertures sont en forme de bande de largeur inférieure à 10 micromètres.
  15. 15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le rapport de : - l'espacement entre deux ouvertures successives, divisé par 10 - la largeur d'une ouverture, est compris entre deux et dix.
  16. 16. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le masque est un masque diélectrique, le matériau constituant le 15 masque diélectrique étant du SiNx ou du SiO2 ou du TiN.
  17. 17. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de formation (40) d'un film monocristallin (5) est effectuée par : 20 - épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM), - épitaxie par jet moléculaire (EJM), épitaxie phase vapeur aux hydrures (EPVH), - épitaxie en phase liquide (EPL). 25
  18. 18. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de formation (40) d'un film monocristallin (5) est effectuée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM).
  19. 19. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 dans lequel le support (6) comporte une surface de croissance (61) d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire.
  20. 20.Support de croissance (6) incluant une surface de croissance (61) d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, caractérisé en ce qu'il comprend une zone fragilisée (7) par implantation d'ions de fragilisation.
  21. 21.Support de croissance selon la revendication 20, lequel comprend un film monocristallin (5) à base de nitrure d'élément III sur un substrat cristallin (4) d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, la zone fragilisée (7) s'étendant dans le film monocristallin (5).
  22. 22. Support de croissance selon l'une des revendications 20 ou 21, lequel comprend en outre un masque (8) sur la surface de croissance (61).
  23. 23. Couche semi-conductrice (9) à base de nitrure d'élément III non-polaire ou semi-polaire ou polaire, caractérisée en ce qu'elle est susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 19, ladite couche étant semi-polaire ou non polaire ou polaire et de diamètre supérieur ou égal à 50,8 millimètres.
  24. 24. Couche semi-conductrice (9) selon la revendication 23, laquelle comprend : une densité de défaut comprise entre 1 et 5x109, et/ou une densité de fautes d'empilement comprise entre 1 et 5x105 cm-1.
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