Brevet FR2281647A1 — publié le 19760305

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de dispositifs optoélectroniques par implantation ionique. Les dispositifs optoélectroniques,; comme par exemple les émetteurs ou les détecteurs de lumière, sont en général fabriqués avec des alliages semi-conducteurs binaires ou ternaires. Leur principe de fonctionnement est basé sur les mécanismes de conversion des photons en porteurs de charges dans le cas des dispositifs optoélectroniques fonctionnant en détecteur de lumière, ou sur des mécanismes de conversion porteurs de charges-photons dans le cas des dispositifs optoélectroniques émetteurs de lumière. Les porteurs de charges dans un semi-conducteur sont les électrons et les trous dont les propriétés sont directement liées a la nature et la qualité du semi-conducteur. En particulier, pour les dispositifs optoélectroniques, la durée de vie des porteurs est un paramètre très important qui conditionne la qualité de la conversion énergie électrique-énergie lumineuse ou énergie lumineuse-énergie électrique. Selon les cas, cette durée de vie est directement liée aux traitements (implantation ionique, recuit. que subit le semi-conducteur durant toutes les étapes de sa fabrication. On s'attachera dono pendant le processus de préparation du dispositif,à ce que la modification de la durée de vie des porteurs de charges ne soit pas trop importante afin de préserver les propriétés intrinsèques du matériau de départ. Un des dispositifs optoélectroniques le plus important est la diode électroluminescente dans laquelle, a partir d'une injection de porteurs~4e charges,on a une émission de lumière. Actuellement, la quasi totalité des diodes électroluminescentes existantes sont à base de semi-conducteurs du type III V. Il s'agit des alliages binaires ou ternaires à base de Gallium. On peut citer par exemple les alliages Ga P, Ga As P, Ga Al As etc. Les diodes ou les matrices de diodes fabriquées avec des alliages sont des jonctions p-n ot le substrat est en général de type n et dans lequel une impureté acceptrice, comme le zinc, est diffusée ou implantée. Une autre solution utilise l'épitaxie liquide ou gazeuse de la couche de type p sur le substrat de type n. Or, si les semi-conducteurs III - V sont à l'heure actuelle a unstade de développement et de fabrication très avancé, e; revanche, ils présentent plusieurs inconvénients ils sont à base de Gallium qui est un matériau très couteux, - les rendements quantiques théoriques sont assez limités, - ils sont bien adaptés pour l'émission dans le rouge ou l'infra-rouge, mais difficiles à utiliser pour les émissions de radiations à longueur d'onde plus courte comme le vert ou le bleu. Il existe en revanche une autre classe d'alliages à base d'éléments Il - VI comme les alliages : Zn Te, Zn Se, Cd Te, Mg Zn Te, etc... qui, outre leur prix de revient plus faible que celui des composés au Gallium, conduisent à des émissions couvrant le spectre allant de l'infra-rouge à l'ultra-violet avec de très bons rendements quantiques théoriques. Cependant,s'il est relativement facile de réaliser des jonctions p-n électroluminescentes dans les alliages III - V par des techniques thermiques classiques (diffusion, alliage),les propriétés intrinsèques des semi-conducteurs Il - VI font, qu'en général, il est indispensable de recour à une méthode de dopage hors d'équilibre thermodynamique telle que l'implantation ionique. Plusieurs tentatives ont été menées jusqu'à ce jour pour doper les semi-conducteurs du type Il - VI ou III - V par implantation ionique en vue d'aboutir à des dispositifs électroluminescents. En règle générale, les rendements quantiques obtenus avec les dispositifs ainsi réalisés sont faibles. Ce résultat est dû au fait que, durant l'implantation ionique, une quantité importante de défauts est créée dans le semi-conducteur par le faisceau ionique qui le pénètre. Ces défauts ont pour effet de créer des centres de recombinaisons non radiatives. Donc, d'une part, ils peuvent masquer l'effet de dopage recherché, et d'autre part ils réduisent le rendement quantique du matériau. Pour éliminer ces défauts, de façon classique, le cristal est recuit à une température en général plus basse que celle qui est nécessaire pour la diffusion gazeuse.Cependant, malgré ce recuit, l'effet des défauts n'est pas tout à fait éliminé, et le rendement quantique de ces diodes reste faible. La présente invention a précisément pour objet un procédé de réalisation de dispositifs optoélectroniques qui pallie les inconvénients cités ci-dessus en permettant en particulier, de réaliser de tels dispositifs à partir de composés du type Il - VI tout en conservant à ces dispositifs des rendements sensiblement meilleurs que ceux obtenus par simple implantation ionique et recuit. Le procédé de réalisation de dispositifs optoélectroniques,objet de l'invention,se caractérise en ce qu'on part d'un substrat semi-conducteur, au moins binaire, choisi dans le groupe comprenant les alliages des corps des colonnes Il et VI et les alliages des corps des colonnes III et V du tableau de Mendeleieff, présentant un premier type de conductivité, en ce qu'on effectue sur une des faces dudit substrat une implantation ionique avec des impuretés aptes à donner audit substrat1 sur une profondeur donnée, un deuxième type de conductivité, en ce qu'on enlève une tranche superficielle dudit substrat sur sa face implantée ayant une épaisseur telle qu'on enlève la maJeure partie des défauts dus à ladite implantation, mais telle que l'on n'enlève pas la majeure partie des impuretés implantées. Selon une'première variante de mise en oeuvre du procédé, on effectue un recuit thermique du substrat avant d'enlever la tranche superficielle. Selon une deuxième variante de réalisation, on effectue le recuit thermique après avoir enlevé la tranche superficielle. Selon un premier mode de mise en oeuvre, on enlève la tranche superficielle par abrasion ionique ou attaque chimique. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, on effectue l'implantation ionique travers une couche superficielle ayant une épaisseur correspondant à la zone de création de la majeure partie des défauts et on enlève par attaque chimique ladite couche déposée. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, des schémas illustrant les différentes étapes d'un premier mode de mise en oeuvre du procédé, - sur la figure 2, des schémas illustrant les différentes étapes d'un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, - sur la figure 3, des courbes donnant, pour une couche implantée de Zn Te, le profil d'impuretés, le profil de défauts et le rendement quantique en fonction de la profondeur dans le substrat, et, - sur la figure 4, une courbe donnant, pour une diode électroluminescente réalisée en Zn Te, le rendement quantique en fonction de la profondeur abrasée. Dans la description qui suit, on considère le cas de la réalisation des diodes électroluminescentes fabriquées dans un substrat de Zn Te. Il va de soi que les étapes du procédé seraient les mêmes si l'on utilisait d'autres corps tels que ceux qui ont été décrits précédemment. Sur la figure 3, on a représenté la courbe I qui donne le profil des défauts lors d'une implantation ionique et la courbe Il qui donne le profil des impuretés en fonction de la profondeur dans le substrat portée en abscisse. En ordonnée, on a une unité arbitraire. Ces courbes ont été établies dans le cas de l'implantation de bore dans un cristal de Zn Te avec une énergie de 140 (Kev). On constate que la courbe, donnant le profil de dopage en impuretés, est décalée vers la droite, c'est-à-dire vers les profondeurs supérieures, par rapport à la courbe I qui donne la concentration des défauts. Sur la figure 1, on a représenté les différentes étapes d'une première variante de mise en oeuvre du procédé. On part d'un cristal 2 de Zn Te poli mécaniquement puis chimiquement sur sa face supérieure 4. Ce substrat 2 est de type p. On introduit par implantation ionique des ions bore, de telle façon qu'on crée une couche superficielle 6 de type n. Dans cette zone 6, on retrouve le profil de défauts et le profil de concentration en impuretés représenté sur les courbes I et Il de la figure 3. Dans l'étape suivante, on abrase la tranche superficielle 8 (représentée en pointillés) sur la figure lb par un procédé d'usinage ionique bien connu. On fait ensuite éventuellement un recuit par exemple à une température de 55000 pendant 30 minutes. Comme on l'a déjà indiqué précédemment, ce recuit n'est pas nécessaire, et en outre il peut être fait avant l'étape d'abrasion. Pour terminer la réalisation de la diode électroluminescente, on fait un dépôt sur la face implantée d'un métal pour réaliser les contacts électriques. Ce dépôt est par exemple de l'indium qui, une fois gravé, donne les plots 10, 10', 10". On effectue ensuite sur la face arrière du substrat un dépôt d'or 12 pour réaliser le deuxième contact électrique. Sur la figure 2, on a représenté une deuxième variante de mise en oeuvre du procédé. Dans cette variante, avant d'effectuer l'implantation ionique pour réaliser la zone 6 dopée, on dépose sur la face avant 4 du substrat une couche 14 d'un corps qu'il sera ultérieurement relativement facile d'enlever. L'épaisseur e' de ce dépôt est telle que, lors de l'implantation ionique la plus grande partie des défauts dus à cette implantation soit localisée dans la couche superficielle 14. Dans une deuxième étape, on procède à la supression de cette couche 14 qui peut de préférence être enlevée par attaque chimique. On effectue ensuite les dépôts devant donner naissance au contact électrique comme on l'a décrit à propos de la figure lc. A titre explicatif, on peut citer l'étude par cathodo et photoluminescence faite sur une couche de Zn Te implantée avec des ions donneurs de bore. Pour cela, on part d'un substrat de type p ayant une concentration en accepteurs de l'ordre de 1016/cm (diverses expériences ont été faites avec des concentrations variant entre 1016 et 10 17atomes/cm3) . On réalise une implantation 14 de bore avec une énergie de 140 KeV, et une dose de 5.10 atomes/ cm2. On effectue des abrasions par usinage ionique de la tranche supérieure du substrat sur diverses épaisseurs. Des résultats apologues ont été obtenus par attaque chimique, au sulfate cérique par exemple. On a représenté sur la figure 3 les courbes III et IV qui permettent de montrer les résultats obtenus sur la luminescence de la couche implantée décrite précédemment et fabriquée par le procédé objet de l'invention. La courbe IV concerne la variante du procédé dans laquelle il a été réalisé une opération supplémentaire de recuit avant abrasion, la courbe III celle dans laquelle il n'y a pas eu recuit. Ces courbes donnent la quantité de lumière Q émise/par le matériau implanté en fonction de la profondeur d de l'abrasion effectuée. On voit que la courbe III présente dans les régions peu profondes un minimum très prononcé. On constate que, si l'on effectue une abrasion suffisante la quantité de lumière émise par la couche est multipliée par un facteur important, supérieur à 10. Le gain obtenu par rapport à une couche recuite sans abrasion (point de la courbe IV d'abrasion zéro) est moins important mais encore très substantiel. L'influence du recuit avant abrasion apparait sur la courbe IV (figure 3). On peut expliquer l'avantage apporté par le procédé objet de l'invention de la façon suivante. Si le recuit thermique après l'implantation ionique permet de retrouver un cristal correct du point de vue macroscopique, en revanche au niveau atomique, le réarrangement complet du réseau en présence des impuretés semble être difficile.Ce mécanisme est caractéristique des semi-conducteurs composés car, si dans un semi-conducteur monoatomique comme le silicium par exemple, l'atome de silicium déplacé par le bombardement ionique ne peut revenir après recuit que dans un site Silicium, dans le cas d'un composé binaire ou ternaire, la cinétique du recuit est beaucoup plus complexe et peut conduire à des associations de défauts, natifs ou induits par l'implantation, qui du point de vue microscopique distordent le réseau et conduisent à des rendements quantiques très faibles car celui-ci est directement lié à la qualité du cristal. On va décrire maintenant une série d'expériences portant sur la réalisation d'une diode électroluminescente dans le vert (longueur d'onde de 5480 ) par implantation d'ions donneurs de bore dans un cristal de Zn Te. Pour cela, on part d'un substrat de type p ayant une concentration de trous de 3.1016 atomes/cm3 on implante des ions bore ayant une énergie de 140 KeV, pour une dose de 5.1014atomes/cm2. On effectue ensuite une abrasion, ionique ou chimique, pour enlever une couche superficielle d'épaisseur variable et on dépose les contacts métalliques, indium ou aluminium sur la couche implantée, et or sur la face arrière du cristal. On aura ainsi la courbe représentée en figure 4, qui représente le rendement quantique/de la diode en fonction de la profondeur d abrasée. Un maximum très net apparaît pour une profondeur abrasée de 4000 . Une diode électroluminescente,mettant en application l'invention, sera obtenue par une abrasion de 4000 A. Cette valeur est évidemment valable, pour les conditions expérimentale ci-dessus décrites ; elle serait différente pour d'autres conditions de fabrication. On va maintenant décrire deux procédés de fabrication collective de diodes électroluminescentes faisant application de la présente invention. Le premier de ces procédés utilise le principe de la technologie, dite "PLANAI". On part d'une couche de Zn Te par exemple, on effectue un dépôt isolant uniforme sur la couche puis une gravure sélective de l'isolant ; on implante avec des ions convenables jusqu'à obtenir, dans les trous ménagés dans l'isolant, des jonctions ; suivant le procédé de la présente invention, on effectue ensuite une abrasion superficielle, dans les trous, sur une épaisseur précise ; on recouvre d'un dépôt métallique que l'on grave ensuite pour définir les contacts sur les faces supérieures des diodes et les connexions avec l'extérieur. Il reste à découper l'ensemble de la couche pour monter les diodes électroluminescentes individuelles Si on le désire. Le second de ces procédés est plus simple encore. On part d'une couche de Zn Te par exemple ; on effectue une implantation uniforme sur toute la surface, avec des ions convenables; on effectue un masquage par une résine photosensible ordinaire, qu'on grave pour définir les zones électroluminescentes ; suivant le procédé de la présente invention, on effectue une abrasion superficielle dans les zones non masquées, sur une épaisseur pré cise ; on retire la résine ; on recouvre d'un dépôt métallique que l'on grave pour définir les contacts sur les faces supérieures des diodes et les connexions avec l'extérieur. On remarquera que l'on utilise ici la zone superficielle perturbée pour assurer l'isolement électrique entre diodes. L'abrasion sélecte définifr l'emplacement des diodes en même temps qu'elle augmente leur rendement quantique. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de dispositifs optoélectroniques, caractérisé en ce qu'on part d'un substrat semi-conducteur au moins binaire, choisi dans le groupe comprenant les alliages de corps des colonnes Il et VI et des alliages de corps des colonnes III et V du tableau de Mendeleieff, présentant un premier type de conductivité, en ce qu'on effectue sur une des faces dudit substrat, une implantation ionique avec des impuretés aptes à donner audit substrat sur une certaine profondeur un deuxième type de conductivité, en ce qu'on enlève la tranche superficielle dudit substrat sur sa face implantée ayant une épaisseur e telle qu'on enlève ainsi la majeure partie des défauts dus à ladite implantation mais que l'on n'enlève pas la majeure partie des impuretés implantées 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue un recuit thermique du substrat avant d'enlever la tranche superficielle. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue un recuit thermique après avoir enlevé la tranche superficielle. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on enlève la tranche superficielle par abrasion. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on enlève la tranche superficielle par attaque chimique. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, avant d'effectuer l'implantation ionique,on dépose une couche d'un matériau ayant une épaisseur telle que, lors de l'implantation ionique la plus grande partie des défauts soit concentrée dans ladite couche et en ce qu'on enlève par attaque chimique ladite couche déposée. 7. Procédé de réalisation collective de dispositifs optoélectroniques, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue sur le substrat un sélectif de masquage, en ce qu'on effectue une implantation dans les zones non masquées, en ce qu'on enlève la couche superficielle dans les zones non masquées et en ce qu'on effectue ur. dépôt sélectif conducteur définissant les contacts électrtques. 8. Procédé de réalisation collective de dispositifs sptoelectroniques, selon l'une quelconque des revendications 1 à c caractérisé en ce qu'on effectue sur le substrat une implantation uniforme, en ce qu'on effectue un dépôt sélectif de masquage, en ce qu'on enlève la tranche superficielle dans les zones non @asquées, en ce qu'on élimine le dépôt sélectif de masquage et ce cequ'on effectue un dépôt sélectif conducteur définissant les ~intacts électriques.