Brevet FR2315173A1 — publié le 19770114

La présente invention concerne la technologie des dispositifs à semi-conducteurs et concerne plus précisément les procédés pour la création de matrices d'éléments luminescents à semi-conducteurs. Le développement de la technique de l'affichage d'informnation sous forme numérique alphabétique symbolique, sous forme à position unique ou à positions multiples, de tableaux et d'écrans, fait appel à des matrices à haute efficacité avec un grand nombre d'éléments luminescents.Les matrices à semiconducteurs à éléments luminescents possèdent des avantages indéniables en comparaison avec les autres types de matrices (à cristaux liquides, cellules au plasma, etc.) du fait qutelles satisfont à une combinaison unique d'exigences les plus sévères rendement élevé, résistance mécanique, vitesse de commutation élevée, fiabilité, compatibilité avec les circuits intégrés au silicium, gamme étendue de températures de service. On contact aujourd'hui un procédé de fabrication d'une matrice d'éléments luminescents à semi-conducteurs à base d'une structure épitaxiale comportant un substrat de GaAs à conduction du type n sur lequel est portée une couche du type n GaAs1-xPx, Gal-x A1xAs ou GaP, en formant un masque de revêtement diélectrique à la surface de la couche du type n, en introduisant à travers celui-ci dans la couche du type n une impureté acceptrice de zinc et en procédant à un recuit à diffusion à une température et durant un intervalle de temps assurant la création de jonctions locales luminescentes p-n. Dans la matrice obtenue de cette façon chaque élément luminescent possède une structure à conduction du type n + dont le rayonnement sort par la couche supérieure fortement dopée à conduction du type p, ce qui entrain des pertes de puissance de rayonnement importantes (théoriquement au moins 200 à 300%) à cause de l'absorption sur les trous libres.Avec un tel procédé de fabrication de matrices il est impossible d'obtenir des éléments luminescents à faibles dimensions linéaires avec des structures n+ GaAs -n Gal-xAlxAs au moyen d'une diffusion rapide dans une couche adhérant à la surface du zinc sur la limite de séparation Gal-xAlxAs revêtement diélectrique :la différence entre les dimensions linéaires de l'élément luminescent et du masque de photogravure de départ est au moins égale à 70 à i00 microns. Il est impossible également d'utiliser la technologie progressive et contrôlable qui consiste à introduire une impureté acceptrice (du zinc) par implantation ionique, du fait qu'un bombardement avec des ions de zinc dans la région active à conduction du type p fait apparaître des centres supplémentaires de recombinaisoeï sans rayonnement, qui réduisent l'efficacité quantique des éléments luminescents. On connaît en outre un procédé de fabrication d'une matrice d'éléments luminescents à semi-conducteurs à base d'une structure épitaxiale particulièrement efficace qui se compose d'un substrat GaAs à conduction du type p + sur lequel sont déposée consécutivement des couches Gal-xAlxAs du type p et Gal-y AlyAs à conduction du type n, formant une jonction luminescente p-n, en décapant les structures mesa. Ce procédé comporte également plusieurs inconvénients. Dans la matrice créée de cette façon la région de la jonction p-n n'est pas protégée. Ce procédé rend impossible la formation d'un contact élargi et ne permet pas d'obtenir une structure mesa avec des dimensions reproductibles inférieures à 70 à 100 microns. D'autre part ce procédé comporte des inconvénients qui caractérisent les dispositifs à semi-conducteurs réalisés selon une technologie mesa, par rapport aux dispositifs préparés selon une technologie plana Le plus proche de la présente invention est un procédé de préparation d'une matrice d1 éléments luminescents a semi-conducteurs à base d'une structure épitaxiale se composant d'un substrat de GaAs à conduction du type p+ sur lequel sont déposées consécutivement des couches de Gal-xAlxAs à conduction du type p et de Gal-y, AlyAs à conduction du type n formant une jonction luminescente p-n, selon lequel sur la surface de la couche n on forme un masque en Ai203, à travers lequel dans une ampoule scellée on introduit dans la couche n une impureté acceptrice de zinc à partir de la phase de vapeur et on procède à un recuit à diffusion à une température (70000) et durant un intervalle de temps (2 heures) suffisant à obtenIr dans la couche du type n des régions à conduction du type p, dont la profondeur de gisement est au moins égale à l'épaisseur de la couche du type n. Ce procédé requiert l'utilisation obligatoire d'un masque représentant un revêtement en diélectrique, tel que A120D, qui soit opaque pour les atomes de zinc en diffusion. Le procédé indiqué ne permet pas d'obtenir des éléments luminescents à faibles dimensions linéaires, car en raison de la diffusion rapide dans la couche voisine de la surface du zinc sur la limite de séparation Gal-yAlyAsAl2O3, la différence entre les dimensions linéaires de l'élément luminescent et du masque de photogravure de départ est au moins égale à 70 à 100 microns. Selon ce procédé l'injection des atomes de zinc et le recuit à diffusion sont réalisés dans une ampoule scellée, ce qui, d'une part, est une complication importante de la technologie de la matrice, et, d'autre part, entraine la non-reproductibilité des résultats au point de vue de la profondeur de diffusion du zinc, ainsi que la non-reproductibilité des degrés de vide et de la pression des vapeurs d'arsenic dans l'ampoule. Enfin, la matrice à éléments luminescents préparée par ce procédé est constituée des éléments luminescents séparés les uns des autres par espacements en Gal-yAlyAs p* à faible résistivité, ce qui rend impossible la création de contacts électriques élargis et la réalisation de connexions quelconques entre les électrodes de la matrice. Ainsi les procédés connus pour la création d'une matrice à semi-conducteurs d'éléments luminescents à base d'une structure épitasiale constituée par un substrat en GaAs à conduction du type p sur lequel sont déposées consécutivement des couches de Gal As du type p et de Gal gAl s du type n formant une jonction p-n luminescente ne permettent pas d'obtenir des éléments luminescents avec des dimensions linéaires inférieures à 70 à 100 microns, exigent; l'utilisation d'un revêtement compliqué en diélectrique Al2O3, l'introduction et la diffusion du zinc dans une ampoule scellée et ne permettent pas de créer des contacts électriques élargis adhérant aux éléments luminescents ni de réaliser des connexions quelconques entre les éléments. L'invention est basée sur le problème de la création d'un procédé pour l'obtention d'une matrice d'éléments luminescents à semi-conducteurs à base d'une structure épitaxiale qui se compose d'un substrat en GaAs à conduction du type p avec des couches, déposées consécutivement sur celui-ci, de Gal-xAlxAs du type de conduction p et de Ga1-y AlyAs du type n, formant une jonction luminescente p-n, qui n'exigerait pas l'utIlisation d'un rev8tement diélectrique en 12C3 ni l'introduction d'une impureté acceptrice de zinc, ni la réalisation d'un recuit à diffusion dans une ampoule scellée, qui permettrait d'obtenir des éléments luminescents avec des dimensions linéaires inférieures à 70 à 100 microns, de créer des contacts électriques élargis des éléments luminescents ainsi que de réaliser n'importe quelles connexions entre les éléments. Ce problème est résolu par le fait que, selon le procédé de préparation d'une matrice d'éléments luminescents à semiconducteurs à base d'une structure épitaxiale, qui se compose d'un substrat en GaAs à conduction du type p avec, déposées consécutivement sur le substrat, des couches de Gal xssl As du type p et de Ga1#yAIyAs du AlAs dutype n formant une jonction luminescente p-n par création d'un masque à la surface de la couche du type n, en injectant à travers celui-ci dans la couche du type n une impureté acceptrice et en effectuant un recuit à diffusion durant un intervalle de temps et à une température suffisants à obtenir dans la couche du type n des régions à conduction du type p dont la profondeur de gisement est au moins égale à l'épaisseur de la couche du type n, selon l'invention,le masque est formé en déposant sur la couche du type n une couche photorésistante avec une exposition à la lumière et un décapage consécutifs, l'impureté acceptrice est introduite par implantation ionique, et, avant le recuit à diffusion, on élimine la couche de photorésist et on porte sur la couche à conduction du type n une couche de SiO2. Le procédé proposé permet : d'obtenir une matrice à éléments luminescents à base d'une structure épitaxiale comportant un substrat en GaAs à conduction du type p avec, déposées consécutivement sur celui-ci, des couches de GaI-xAlxAs BlxBs du type p et Ga1## & yÂs du type n formant une jonction p-n luminescente avec des dimensions linéaires minimales des éléments, de l'ordre de 10 microns, de réaliser le recuit à diffusion sous un revêtement diélectrique en Si02 dans un four ouvert, de créer des contacts électriques élargis des éléments luminescents et de réaliser n'importe quelles connexions entre les éléments, car à la surface de la matrice se trouve une couche continue d'un revêtement diélectrique.Il convient également de remarquer que, dans le procédé proposé, la technologie a'implantation ionique manifeste tous ses avantages et n'introduit pas d'effets secondaires indésirables, comme par exemple la formation de centres de recombinaison supplémentaires sans rayonnement lumineux car l'implantation de l'impureté acceptrice est réalisée dans les régions de la matrice qui ne sont pas luminescentes. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins donnés en annexe, qui représentent : la figure 1, une structure épitaxiale de départ en coupe longitudinale la figure 2, idem après la formation d'un masque la figure 3, idem après le dépôt d'un revêtement diélectrique la figure 4, une matrice d'éléments luminescents à semiconducteurs, en coupe longitudinale. La structure épitaxiale représentée sur la figure 1 comporte un substrat 1 en GaAs à conduction du type p+ sur lequel sont déposées consécutivement des couches 2 et 3, Gal AI As du type p et Ga AI As du type n respectivement, formant une jonction p-n 1-y y luminescente 4. La structure épitaxiale représentée sur la figure 2, diffère de celle de la figure 1 et comporte un masque 5 en matière photorésistante déposée à la surface de la couche 3. Les flèches montrent un faisceau d'ions 6 d'impureté acceptrice, en tant que l'impureté acceptrice on peut utiliser du zinc, du béryllium ou du cadmium. Des secteurs 7 disposés dans la couche 3 du type n sous les centres dans le masque 5 contiennent de l'impureté acceptrice implantée. La figure 3 représente cette même structure après 1, élimination du masque 5 en matière photorésistante et le dépôt sur la couche 3 d'une couche 8 de revêtement diélectrique en SiO2. La matrice d'éléments luminescents à semi-conducteurs 9 représentée sur la figure 4 diffère de celle représentée sur la figure 3 du fait qu'à la place des secteurs 7 elle comporte des régions 10 à conduction du type p obtenues par recuit à diffusion, en outre les lignes en pointillés désignent le front inférieur de propagation de 1 impureté acceptrice, qui diffuse a tartir des secteurs 7. Sa profondeur de gisement dépasse l'épaisseur de la couche 3 du type n. l'essentiel du présent procédé réside en ce qui suit on porte sur la structure épitaxiale de départ représentée sur la figure 1 une couche de matière photorésistante, sur laquelle on obtient par exposition à la lumière à travers une cache et par opérations consécutives de tamnage et de décapage un masaue 5 (figure 2) qui protège des secteurs conformes à la configuration et aux dimensions voulues des éléments luminescents.Puis, cette structure est soumise à un bombardement par un faisceau d'ions 6 de 11 impureté acceptrice sur une installation d'irradiation tar ions, la dose d'irradiation étant de 1'ordre de 109 à 10 C cl 2. Alors dans la couche 3 à conduction du type n, sous les fenetres dans le masque 5,se forment les secteurs 7, qui contiennent l'impureté acceptrice implantée. Après le bombardement on fait disparatt-e le masque en matière photorésistante par décapage chimicue ou ionique au plasma et sur la couche dénudée 3 du type n on dépose selon un procédé quelconque connu la couche 8 (figure 3) en diélectrique, en SiO2.Puis la structure est soumise à un recuit à diffusion dans un four ouvert dans un flux d'hydrogène à une température égale à 750-9000C durant 4 à 0,5 heures, en conséquence de quoi, dans la couche 3 se forment des régions 10 à conduction du type p, dont la profondeur de gisement dépasse l'épaisseur de la couche 3 du type n, ce qui assure la localisation des éléments luminescents 9. Pour faire mieux comprendre l'essentiel de l'invention nous donnons plus bas un exemple concrèt de sa réalisation. S emple 1. On a pris une structure épitaxiale de départ contenant un substrat 1 (figure 1) en GaAs à conduction du type p sur lequel étaient déposées consécutivement des couches 2,3 en Gal~yAlxAs du type p et en Gal 81 As du type n, respectivement formant une 1-y y jonction p-n 4.Comme substrat 1 en GaAs du type p+ on utilise des plaquettes de GaAs alliées au zinc jusqu'à une concentration de (6-8)1018 cm orientées dans un plan (100) avec un polissage optique des deux côtés. les couches 2, 3 de Ga l-xAlxAS du type p et en Gal Al As du type n furent formées selon une méthode d'épi 1-y y taxie liquide, à partir d'un bain de gallium fondu saturé d'arsenic à une température de 95000 à partir d'une source GaAs. La couche 2 du type p était alliée au zinc åusqu'à une concentration atteignant 5.tOt7cm 3, la teneur en aluminium ("x" dans la formule du composé) était égale à 35% d'atomes.La couche 3 du type n fut obtenue par alliage de ce même bain avec une impureté de tellure en quantité suffisante pour obtenir une concentration d'électrons de (1-2) (1-2).1018cm#3. La teneur en aluminium dans la couche 3 du type n ("y" dans la formule du composé) était égale à 47-50% d'atomes grace à un alliage supplémentaire de ce même bain à l'aluminium. L'épaisseur des couches 2 et 3 était égale à 20 et 3 à 4 microns respectivement. On a porté sur la structure épitaxiale de départ une couche de matière photorésistante positive à base de naphtoquinone diazide à densité égale à 8 cst, de 4 à 5 microns d'épaisseur. Après l'exposition à la lelmière à travers une cache possédant des zones d'ombre de 200x40 2, un tannage et un décapage avec un décapant de polissage : 1 partie d'eau déionisée, 1 partie d'eau oxygénée et 3 parties d'acide sulfurique on a formé un masque 5 (figure 2) en matière photorésistante protégeant des zones de la structure initiale d'une surface égale à 200x40 Puis la structure fut soumise à un bombardement par les ions de l'impureté acceptrice : de zinc, sur une installation pour le traitement par irradiation ionique. L'énergie des atomes de zinc était égale à 3.1 o13 pC/cm?. Le bombardement était effectué sous un vide égal à 10-5 tour. Corme résultat de ce bombardement on a obtenu des secteurs 7 contenant une impureté de zinc de 0,2 p de profondeur. âpres le bombardement le masque 5 en matière photorésistante était éliminé par décapage dans un mélange de dioxine (1 partie) et de diméthylformamide (1 partie) porté à l'ébullition. Sur la couche dénudée 3 à conduction du type n on dépose une couche 8 (figure 5) de revêtement diélectrique en SiO2 de 0,34 p d'épaisseur selon une méthode de vaporisation au plasma d'une cible de quartz. L'épaisseur de la couche 8 de diélectrique était choisie en partant des conditions d'éclaircissement de la matrice à la longueur d'onde de luminescence. Ensuite la structure était soumise à un recuit à diffusion en four ouvert dans un flux d'hydrogène à une température égale à 80000 durant 1,5 heure, c'est-à-dire dans des conditions suffisantes à la formation dans la couche 3 des régions 10 (figure 4) à conduction du type p localisant les éléments luminescents 9. Puis, dans la couche 8 du revêtement diélectrique selon le centre des éléments luminescents 9, d'après une méthode de photolithographie, on a pratiqué des fenêtres de contact avec des dimensions égales à 120 x 10 p2, , selon une méthode de vaporisation thermique et on a déposé un contact électrique à deux couches adhérant à la couche 2 ayant une composition :Au 88#Ge 12, de 0,3 micron d'épaisseur, et du nickel, de O,a micron d'épaisseur, et un contact électrique commun Au 9#-ZnI% Znl% adhérant à la couche GaAs à conduction du type p après la réalisation de la photolithographie on a laissé sur le revêtement de contact supérieur à deux couches des bandes de contact de 130x15 p2 et on a réalisé l'implantation par brtlage des contacts électriques supérieur et inférieur dans un flux d'hydrogène. Pour créer un contact ohmique élargi pour chaque élément luminescent 9 avec des dimensions commodées pour le soudage par ultrasons des connexions en fil d'aluminium on dépose par vaporisation sur la structure une couche d'aluminium et on effectue la photolithographie avec un masque assurant les dimensions nécessaires et la disposition voulue des contacts électriques élargis. Comme résultat, on a obtenu une matrice finie à semiconducteurs à éléments luminescents satisfaisant à toutes les exigences d'un circuit intégré planar monolithe. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATION Procédé de préparation d'une matrice à seai-con#ucteurs à éléments luminescents à base d'une structure étitaxiale, qui se compose d'un substrat en sapas à conduction du type p-f sur lequel sont déposées consécutivement des couches C-an As du type p et Gal AI As du type de conduction n formant une jonction luminescen- 1-y y te p-n, par création d'un masque sur la couche à conduction du type n, par introduction à travers ledit masque dans la couche du type n d'une impureté acceptrice et par un recuit à diffusion réalisé durant un intervalle de temps et à une température suffisants à obtenir dans la couche du type n des régions à conduction du type p, dont la profondeur de gisement est au moins égale à l'épaisseur de la couche du type n, caractérisé en ce que le masque est formé en déposant sur la couche à conduction du type n une couche photorésistante avec une exposition à la lumière et un décapage consécutifs, l'impureté acceptrice étant introduite par implantation ionique, et, avant le recuit à diffusion, on élimine la couche de photorésist et on dépose sur la couche à conduction du type n une couche de SiO2.