Brevet FR2137314A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne la fabrication des composants semiconducteurs comportant, au sein d'un bloc présentant une continuité cristalline interne, une succession de couches de caractéristiques électriques ou physicochimiques différenciées. Cette fabrication peut se faire, dans le cas par exemple des transistors, par des techniques planaires, clest-à-dire par diffusion d' impuretés de dopage de types différenciés, au sein d'un bloc semiconducteur monocristallin pré-existant. Ces techniques planaires permettent de faire apparaître les diverses zones ainsi constituées sur une même face plane du composant. Les caractéristiques physico-chimiques de telles zones ne peuvent être choisies que dans des limites très étroites. On connaît aussi les techniques d'épitaxie qui permettent de déposer successivement sur un substrat monocristallin des couches en continuité cristalline, dont la composition peut être choisie d'une façon relativement libre. Cette méthode présente l'inconvénient suivant : les zones d'affleurement des couches internes ne sont pas situées sur la face supérieure, par exemple, sur laquelle ont été effectués des dépôts. Ceci est un inconvénient lorsqu'il s'agit de faire certains traitements de surface sur ces zones, à partir de la surface d'une plaquette dont le découpage formerait ensuite une multitude de composants élé- mentaires.Les traitements tels que le polissage optique, par exemple, doivent être effectués individuellement sur les faces latérales de chaque composant, ce qui est coûteux. La présente invention concerne plus particulièrement la fabrication des diodes photoémettrices, notamment à injection, et plus particulièrement les diodes laser à hétérostructure. On sait qu'une diode photoémettrice à injection comporte au moins deux couches ; l'une de ces couches sera appelée ici "couche active". Elle est constituée d'un matériau semiconducteur monocristallin d'un premier type de conductivité. Cette couche active est en-continuité cristalline avec une couche appelée ici "couche émettrice" et apte, sous l'effet d'une polarisation électrique convenable, à injecter des porteurs minoritaires dans la couche active. Ces porteurs minoritaires sont susceptibles de fournir de la lumière d'une certaine longueur d'onde, par recombinaison radiative spontanée ou stimulée par la présence de lumière de la même longueur d'onde.L'injection de ces porteurs minoritaires rend donc la couche active, à condition que la densité de ces porteurs y soit suffisante, émettrice ou amplificatrice de lumière. Dans le cas d'une diode laser, la surface extérieure est rendue en partie réfléchissante, de manière à constituer une cavité résonnante optique permettant, lorsque la couche active est rendue suffisamment amplificatrice de lumière, l'apparition du phénomène laser. Bien entendu, les explications ci-dessus sont sommaires et limitées à ce qui est nécessaire à la compréhension de l'invention. Il est évident, par exem ple, que les fonctions des couches active et émettrice peuvent être réciproques, c'est-à-dire que chacune de ces couches peut injecter des porteurs de charges dans l'autre et que des recombinaisons radiatives peuvent se produire dans ces deux couches à la fois.. La couche active est souvent une partie, pour des raisons de technologie, d'un ensemble monocristallin plus épais. Dans le but d'augmenter le rendement en lumière d'une diode laser, il est connu de confiner la lumière au voisinage de la couche active, sauf bien entendu dans la direction d'émission, à l'aide d'au moins une couche d'indice optique plus faible. Une telle couche sera appelée ici couche guide". Elle doit être conductrice ou semiconductrice et en continuité cristalline avec la couche active, de manière à ce que le -courant d'injection ne rencontre pas trop de différences de potentiels parasites. La différence d'indice optique doit être suffisante pour assurer le confinement de la lumière, et d'autant plus grande que le rayon de courbure de la surface de séparation est plus faible. Les différences d'indice qui résultent des différences de dopage au sein d'un semiconducteur sont généralement insuffisantes alors qu'une différence de quelques centièmes semble suffisante. La limite semble être de l'ordre de un pour cent. Ceci rend difficile la réalisation de couches guides efficaces au sein d'un matériau semiconducteur par simple variation de la concentration en impuretés de dopage. C'est pourquoi il est connu de réaliser une telle couche guide en un matériau de composition différente de celle de la couche active, quoique compatible avec la continuité cristalline, et l'on dit que la diode présente une "hétérostructure". Cette différence de. la composition du matériau;s'accompagne d'une différence de la constante diélectrique à fréquence nulle, ainsi que d'une différence de la largeur de la bande d'énergie interdite. Une telle différence de composition au sein d'un bloc monocristallin ne peut être obtenue actuellement que par épitaxie. Une première couche guide est constituée par exemple par la couche émettrice elle-meme, ou situées à la limite de cette couche, et. une deuxième couche guide parallèle à la première pouvant être située de l'autre côté de la couche active, de -manière à enserrer cette couche active entre deux couches guides Dans les-conditions technologiques actuelles, de telles hétérostructures ne sont connues et ne semblent utiles. que dans le cas des diodes laser, mais il est bien évident que le -confinement et le guidage de la lumière au sein de diodes amplificatrices de lumière ou d'autres diodes photoémettrices par recombinaison spontanée par-exempl;;e, peuvent -etre utiles pour augmenter l'effiçacité de ces diodes. Il est connu de réaliser des diodes photoémettrices a hétérostructures à partir d'une plaquette constituée d'un empilement de couches planes parallèles. Cette Latuette est découpez selon un quadrillage de anise à- obtenir des petits pavés, appelés "puces", présentant la forme de parallélépipèdes dont deux faces seulement, par exemple les faces supérieure et inférieure, correspondent aux faces de la plaquette, et sont parallèles aux diverses couches constituant la diode. La lumière présente au sein de la diode, guidée par la ou les couches guides, apparaft donc sur les faces latérales de ces puces. Ces faces doivent donc subir les traitements optiques correspondant aux fonctions de la diode, par exemple polissage soigné et métallisation sur couche isolante. Sur l'ensemble des diodes fabriquées à partir d'une même plaquette, ces traitements sont donc coûteux car ils nécessitent la manipulation des diverses puces. De meme, la fabrication d'une matrice de diodes photoactives doit se faire par assemblage de plusieurs diodes. Un but de la présente invention est la réalisation de composants semiconducteurs, notamment de diodes photoactives à hétérostructure, d'un court de fabrication bas, notamment sous forme de matrices de tels composants. La présente invention a notamment pour objet un procédé de fabrication de composants semiconducteurs, procédé selon lequel on dépose, par épitaxie, sur une face d'un substrat semiconducteur monocristallin, une succession de couches de compositions différentes, en continuité cristalline avec ce substrat, procédé caractérisé en ce que l'on crée d'abord sur ladite face du substrat des creux et des saillies d'une profondeur supérieure à l'épaisseur de l'une desdites couches de compositions différentes, puis l'on effectue ledit dépôt par épitaxie, puis l'on diminue par enlèvement de matière l'épaisseur de la structure ainsi obtenue au moins jusqu'a ce qu'une face de cette structure coupe les deux surfaces entre lesquelles est comprise ladite couche, cette face de cette structure conservant sensiblement la direction qu'avait ladite face du substrat. La présente invention a en outre pour objet une diode photoémettrice à hétérostructure obtenue selon le procédé indiqué ci-dessus et comportant, au sein d1un bloc présentant une continuité cristalline interne, une couche "active" constituée d'un matériau semiconducteur, l'émission de lumière par cette diode résultant de l'apparition de porteurs de charges minoritaires au sein de cette couche active, diode comportant eq outre une couche guide" disposée le long de ladite couche active et constituée d'un matériau de composition suffisamment différente de celle de cette couche active pour lui donner un indice optique inférieur d'au moins un centième à celui de cette couche active grâce à quoi la lumière est confinée d'un seul côté de cette couche guide, ce côté étant celui où se trouve cette couche active, ce matériau d'indice optique inférieur étant apte à etre traversé par les porteurs de charges, ce bloc présentant une face plane sensiblement parallèle à la direction moyenne desdites couches active et guide, au moins une couche dudit bloc étant située entre cette couche guide et cette face, diode comportant en outre des éle-ctrodes en contact électrique avec ledit bloc de manière à permettre le passage à travers lesdites couches active et guide d'un courant électrique propre a assurer ladite apparition de porteurs de charges, la direction de ce courant étant perpendiculaire au plan de ladite face, cette diode étant-caractérisée en ce que ladite couche guide présente la forme d'une surface suffisamment courbe, au moins par endroit, avec une concavité du côté de ladite face plane pour qu'elle atteigne cette face plane. A l'aide des figures schématiques I à 3 ci-jointes > on va décrire ci-après, à titre purement illustratif et nullement limitatif, un exemple de mise en oeuvre de la présente invention. Les éléments qui se correspondent sur ces diverses figures portent sur celles-ci les memes nombres de référence. La figure 1 représente, en coupe, une structure semiconductrice après les étapes successives dtun procédé selon l'invention. La figure 2 représente une coupe d'une diode laser obtenue selon le procédé de la figure 1. La figure 3 représente une vue en perspective d'une matrice de diodes laser, obtenue selon le procédé de la figure 1. On voit sur la figure la un substrat semiconducteur monocristallin 2, de silicium par exemple, de type N, dans lequel la face supérieure a été évidée pour former un creux 4. On depose sur cette face supérieure par épitaxie une couche 6 de type P, visible sur la figure lb, puis une couche 8 de type N, visible sur la figure le. La profondeur du creux 4 est supérieure à 11 épaisseur de la couche 6. La face supérieure de la structure ainsi obtenue est ensuite abrasee jusqu'à ce que cette face coupe les deux surfaces entre lesquelles est comprise la couche 6, c'est-àdire que la tranche de cette couche apparaisse sur cette face, conformément à la figure Id. La structure ainsi obtenue peut permettre par exemple, la constitution d'un transistor du type NPN dont la couche 8 constituerait l'émetteur. Le procédé selon l'invention permet, comme les procédés connus du type planaire, la fabrication d'un grand nombre de composants semiconducteurs à partir d'une seule et même face d'un substrat semiconducteur monocristallin. Des creux tels que 4 peuvent en effet etre obtenus par des procedés connus. Quant aux traitements qu'il est nécessaire d'effectuer sur les zones d'affleurement, c'est-àdire les métallisations necessaires pour assurer la connexion des couches telles que 6 et 8, ils peuvent etre faits sur la meme face supérieure du substrat 2. Le procédé selon l'invention présente cependant l'avantage que la composition des couches telles que 6- et 8 peut être choisie avec la liberté que donne l'épitaxie. On sait que certaines caractéristiques électriques peuvent être obtenues par épitaxie, et non par diffusion à partir de la face supérieure du substrat. Le procédé qui vient d'être décrit utilise un creux de la face supérieure du substrat. Il est cependant possible d'obtenir les mêmes avantages à partir de saillies de cette face : sur ces saillies on dépose par épitaxie les couches 6 et 8 utiles pour le fonctionnement électrique du composant. Puis on dépose par tout procédé un support, par exemple, isolant, réunissant toutes ces saillies. Puis on abrase la face inférieure du substrat jusqu'à ce que le support soit atteint. On voit sur la figure 2 une diode laser obtenue selon le procédé indiqué précédemment. Dans un creux de la face supérieure d'un substrat monocristallin 10, cons titué d'arséniure de gallium de type N, ont été déposées successivement par épitaxie, c' est-à-dire en continuité cristalline, quatre couches 12, 14, 16 et 18, d'épaisseur voisine de 1 micron. Ce creux est profond de quatre microns et son bord est circulaire. Cette face supérieure a été ensuite abrasée jusqu a ce que l'épaisseur de la couche 12 soit complètement coupée par cette face.Le matériau constituant le substrat 10 ainsi que les couches 14 doit être, comme connu, du type dit "à structure de bandes directe", c'est-à-dire que, sur le graphique représentant les énergies des électrons en fonction de leur vecteur d'onde, le minimum d'énergie de la bande de conduction doit correspondre à la même valeur du vecteur d'onde que le maximum de la bande de valence. Les couches 12 et 16 sont constituées par exemple d'un alliage d'arséniure de gallium et d'arseniure d'aluminium, la proportion d'aluminium étant égale à 20% et pouvant etre inférieure. Elles sont déposées par des procédés connus d'épitaxie en phase liquIde. Les couches 14 et 18 sont constituées d'arséniure de gallium de type P dont le dopage est environ de dix puissance dix-huit atomes d'impuretés par centimètre cube. Des couches métalliques 20 et 22 déposées sur le substrat 10 et la couche 18 permettent l'alimentation électrique de la diode laser, de manière que le courant électrique aille de la couche 22 vers la couche 20.La couche 14 constitue la couche active du laser, car c'est dans cette couche que des porteurs de charges minoritaires, c' est-à-dire des électrons, sont injectés à partir de la couche 12 qui joue le rôle de couche émettrice. Ces électrons, en se recombinant avec des trous positifs, produisent de la lumière. Un effet laser se produit, c'est-à-dire que a lumière produite est cohérente, à condition que cette couche active 1'4 soit comprise dans une cavité optique qui empêche partiellement la lumière de stechàpper. Cette cavité est délimitée par les couches 12 et 16, qui sont des couchés guides car leur indice optique est inférieur de cinq centièmes à celui de I'arséniure.de gallium constituant la couche active 14.D'autre part, les zones d'affleu-rement de la couche active 14 sur la face supérieure du substrat sont soigneusement polies 'et rendues, au moins partiellement, réfléchissantes, par des procédés connus pour le traitement des surfaces optiques. De tels traitements sont beaucoupmoins coûteux s'ils sont entièrement effectués sur une seule et même face d'une plaquette partir de laquelle on fabrique ensuite, par decoupage, un grand nombre de diodes laser. La possibilité de procéder ainsi est obtenue, selon l'invention, grâce au fait que les couches guides 12 et .16 présentent la forme de surfaces suffisamment courbes, avec une concavité dirigée vers le haut, pour qu'elles atteignent la face supérieure plane du substrat 10.Bien entendu la courbure des couches 12, 14 et 16 est choisie suffisamment faible pour que l'effet de guidage de lumière soit important. Un autre avantage de la présente invention est que la diode laser peut être facilement montée sur un radiateur, car seule la face supérieure du bloc semiconducteur est utilisée. Il est d'autre part facile de réaliser soit des circuits intégrés comportant des diodes laser selon l'invention, soit des matrices de telles diodes puisque seule la face supérieure est utilisée pour la fabrication et que seule cette face est utilisée ensuite pour l'émission de lumière. La figure 3 représente une forme de réalisation possible d'une matrice de diodes laser du type représenté sur la figure 2. Si on considère que le sens de la haùteur est disposé verticalement dans le plan de la figure, le sens de la longueur horizontalement dans le plan de la figure, et le sens de la largeur perpendiculairement au plan de la figure, ce dernier étant représenté obliquement, on peut décrire comme suit le mode de réalisation de cette matrice : Dans un bloc 10 on creuse d'abord des sillons dans le sens de la longueur, puis on effectue les dépôts des couches 12, 14, 16 et 18, puis on abrase la face supérieure, comme indique précédémment, puis on creuse dans la face supérieure des sillons tels que 24 plus profonds, disposés dans le sens de la largeur. Le résultat obtenu alors est représenté sur la figure 3.Ces sillons dans le sens de la largeur sont ensuite avantageusement remplis d'un matériau pouvant jouer le rôle d'isolant électrique. Les dimensions des diodes sont choisies plus grandes dans le sens de la longueur que dans celui de la largeur de manière que les pertes de lumière hors de la couche active 14 vers les sillons tels que 24 soient relativement peu importantes. D'autre part, un traitement de surface est effectué dans ces sillons tels que 24 dans le but d'augmenter le coefficient de réflexion, avant le remplissage de ces sillons. Bien entendu, certains des inconvénients des diodes laser connus réapparaissent à propos des pertes de lumière, en direction de ces sillons tels que 24. Mais leur importance est moins grande. Des connexions électriques sont enfin réalisées par des procédés connus du type planaire. Il est bien évident que la disposition de couches guides de lumière selon l'invention peut être utile pour la réalisation de diodes électroluminescentes ou photosensibles aussi bien que de diodes laser. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication de composants semiconducteurs, procédé selon lequel on dépose, par épitaxie, sur une face d'un substrat semiconducteur monocristallin, une succession de couches de compositions différentes en continuité cristalline avec ce substrat, procédé caractérisé en ce que l'on crée sur ladite face du substrat des creux et des saillies d'une profondeur supérieure à l'épaisseur de l'une desdites couches de compositions différentes, puis lton effectue ledit dépôt par épitaxie, puis l'on diminue par enlèvement de matière l'épaisseur de la structure ainsi obtenue au moins jusqu a ce qu'une face de cette structure coupe les deux surfaces entre lesquelles est comprise ladite couche, cette face de cette structure conservant sensiblement la direction qu'avait ladite face du substrat. 2/ Diode photoémettrice à hétérostructure obtenue selon le procédé indiqué ci dessus et comportant, au sein d'un bloc présentant une continuité cristalline interne, une couche "active" constituée d'un matériau semiconducteur, l'émission de lumière par cette diode résultant de l'apparition de porteurs de charges mino ritaires au sein de cette couche active, diode comportant en outre une "couche guide" disposée le long de ladite couche active et constituée d'un matériau de composition suffisamment différente de celle de cette couche active pour lui donner un indice optique inférieur d'au moins un centième à celui de cette couche active grâce à quoi la lumière est confinée d'un seul côté de cette couche guide, ce côté étant celui où se trouve cette couche active, ce matériau d'indice optique inférieur étant apte à être traversé par les porteurs de charges, ce bloc présentant une face plane sensiblement parallèle à la direction moyenne des dites couches active et guide, au moins une couche dudit bloc étant située entre cette couche guide et cette face, diode comportant, en outre, des électrodes en contact électrique avec ledit bloc de manière à permettre le passage à travers lesdites couches active et guide d'un courant électrique propre à assurer ladite appari tion de porteurs de charges, la direction de ce' courant étant perpendiculaire au plan de ladite face, cette diode étant caractérisée en ce que ladite couche guide présente la forme d'une surface suffisamment courbe au moins par endroit, avec une concavité du côté de ladite face plane pour qu'elle atteigne cette face plane. 3/ Diode photoactive selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite couche active est constituée d'arséniure de gallium et les deux dites couches guides d'un alliage d'arséniure de gallium eut d'arséniure d'aluminium, ladite couche active s'étendant avec un seul type de conductivité électrique de l'une à l'autre de ces deux couches guides, des moyens d'alimentation électrique étant prévus pour faire jouer à l'une de ces couches guides le rôle de couche émettrice.