Brevet FR2322455A1 — publié le 19770325

La présente invention concerne la formation de régions compensées dans des dispositifs opto-électroniques en arséniure de gallium (GaAS) ou un composé voisin. Dans la technique des dispositifs opto-électroniques en GaAs, on peut citer deux exemples d'utilisation de régions compensées. Tout d'abord, dans des substrats de Gars, des régions compensées électriquement permettent la fabrication de guides d'onde optiques dans le proche infrarouge étant donné que les régions compensées ont un indice de réfraction plus grand que le reste du sub stras Ensuite, notamment dans les lasers à hétérostructure, des régions com pensées dans-la région de recombinaison active permettent d'obtenir un confinement latéral des porteurs libres. Il faut ajouter que dans les deux cas les régions compensées créées doivent être stables, bore à haute température. Dans les régions compensées, la diminution de la concentration des porteurs libres entratnant une isolation électrique s'obtint en utilisant des techniques connues telles que la diffusion thermique, l'oxydation, la fabrication de structures Hesa ou l'implantation d'ions. Il semble actuellement admis que la technique d'implantation dotions présente, par rapport aux autres méthodes, des avantages certains en ce qui concerne la possibilité d'introduire facilement dans le substrat des impuretés à basse température et la possibilité de contrôler parfaitement la concentration des impuretés introduites, deux qualités qui sont très importantes. Jusqu'ici pour réaliser des régions compensées par implantation d'ions, on n'a pratiquement utilisé que des ions hydrogène R+ ou oxygène 0+. La compensation électrique obtenue par l'implantation de protons H+ est uniquement due aux défauts induits par l'ixplantation, ces défauts ayant pour effet de piéger des porteurs de charges libres. Toutefois, cette compensation n'est pas stable à Hatt température, car aux environs de 8006 C la plupart des défauts créés sont 1guéris1 avec rémission simultanée des porteurs de charge dans la bande de conduction. Or des températures de cet ordre sont souvent atteintes au cours de traitements ultérieurs des dispositifs en arséniure de gallium. La compensation électrique obtenue par l'implantation d'ions d'oxygène O telle que décrite dans la demande de brevet français 72 13982 déposée le 20 avril 1972 au nom de Pierre-l FAVENNEC et intitulée "Procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs par irplantations d'ions", est dnei d'une part, aux défauts induits et, d'autre part, àun dopage par centres profonds dans le semiconducteur oh chaque ion implanté compense un ou deux porteurs libres.La compensa- tion subsiste mème après que le semi-conducteur ait subi des températures de recuit assez élevées deoltordre de 8000 C, car l'effet de dopage demeure. Toutefois, en réalisant des guides optiques par cette méthode, on peut constater des pertes sensibles. Un objet de la présente invention consiste à prévoir un procédé de formation de régions compénsées, de préférence par implantations d'ions, dans des dispositifs en Dans, qui ne présente pas les inconvénients des procédés cornus, c'est à dire qui conduit à l'obtention de régions compensées stables à haute te2pira- turc et sans pertes prohibitives. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu un procédé de formation de régions compensées dans des dispositifs seli-conducteurs en GaAS ou formés de composés voisins, dans lequel on utilise dans les régions compensées des impuretés isoélectroniques de l'arsenic ou du gallium, ces impuretés étant de plus plus électronégatives que l'arsenic ou le gallium, respectivelent et ayant un rayon de covalence nettereet plus petit. Suivant une autre caractéristique, l'impureté isoélectroniques est du bore. Suivant une autre caractéristique, 11i.pureté isoélectronique est dc l'azote. Suivant une autre caractéristique, les impuretés isoélectroniques sont introduites dans les régions à coapenser par implantation sous forrr d'ions, tels que ou 1+. Les caractéristiques mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, aapparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de lise en oeuvre du procédé de l'invention, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. t illustre la lise en oeuvre du procédé de l'invention pour former un guide optique limité par deux plans parallèles, la Fig. 2 illustre la lise en oeuvre du procédé de l'invention pour former un guide optique rectangulaire, et la Fig. 3 illustre la lise en oeuvre du procédé de l'invention pour obtenir le confinceent latéral d'un laser à hétérostructure. Avant de décrire en détail ces figures, il faut comprendre que l'implanta- tion d'impuretés isoélectroniques dans de l'arséniure de gallium produit, au moins initialement, comme dans le cas d'implication d'ions O+, deux types de coipensation électrique: une compensation due aux défauts créés an cours de l'implantation et une compensation due au dopage. La compensation due aux défauts disparatt presque complètement & des températures de recuit inférieures a 700 C. La compensation due au dopage, c'est à dire & des états liés iseelec- troniques, résiste & des températures supérieures à 800- C et est parfaitesent stable. Suivant la concentration des impuretés introduites, on peut contrer le taux de compensation obtenue. On sait que, pour retirer un électron de la bande de conduction, il faut implanter soit un ion B+, isoélcctronique avec Ga, ou un ion N , isoélectroni-que avec As. il faut encore noter un avantage de l'implantation d'ions B+, en dehors de l'isoélectricité, par rapport à l'implatation d'ions 0+, qui tient au fait que le noyau de l'atome de bore est relativement plus léger que celui de l'atome d'oxygène et peut donc être implanté plus loin. La Fig. 1 montre schématiquement un substrat d'arséniure de gallium GaAs du type n de concentration de ltordre de 1018/cl3, indiqué en 1, dont la face supérieure a été soumise à une implantation d'ions bore B+ de manière à former une couche compensée 2, dans laquelle la concentration des porteurs libres est très réduite et qui présente un indice de réfraction sensiblement plus grand que celui du reste du substrat 1. L'implantation peut s'eefectuer en plusieurs phases avec des niveaux d'énergie différents de manière à obtenir une distribution déterminée (par ex: uniforme) des ions implantés. Le choix des niveaux d'énergie et les doses des ions implantées sont du domaine de l'homme de l'art.Après l'opération d'implantation, le dispositif est soumis à un traitement de recuit au-delà de 7000 C de manière à faire disparattre la plupart des défauts créés au cours de l'implantation. L'expérience a prouvé que la couche 2 pouvait alors servir de guide de lumière capable, par exemple, de propager de la lumière ayant une longueur d'onde de 1,150 b , dans le proche infrarouge, émis par un laser à l'hélium et au néon et que la perte de transmission ne dépassait par 2 dB/cm.Ce résultat est meilleur que celui qu'on peut obtenir avec des ions Q+ implantés, la Fig. 2 montre comment on peut obtenir un guide de section rectangulaire 3 dans un substrat 5 d'arséniure de gallium en implantant des ions B+ à travers l'ouverture d'un masque 4 déposé à la surface supérieure du substrat 5. Il est bien évident que dans ces deux exemples de mise en oeuvre, la profondeur de la couche implantée 2 ou 3 peut entre contrôlée en choisissant convenablement l'énergie de l'implantation. La Fig. 3 montre schématiquement les couches d'un laser à arséniure de gallium comportant, de haut en bas, une couche de GaAs de type p+, une couche de GaxAl1 As de type p, une couche de GaAs de type n, qui constitue la région active du laser, et une couche de Ca AI As de type n. Une telle structure de laser est bien connue dans la technique. La région active 6 est bien limitée, en haut et en bas, par les couches adjacentes, mais ne comporte normalement pas de limites transversales.On a déjà proposé de créer ces limites transversales en formant des régions implantées avec des ions 0+, telles qu'elles sont décrites dans le Rapport IBM Research intitulé tOxygen implanted double heterojunction GaAs/GaAlAs injection lasers" par J.N. Blum et autres, RC 5195 du 2 janvier 1975. Dans l'exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on crée des régions compensées 7 et 8 en implantant des impuretés tsoélectriques telles que des ions B+ ou N+, à travers des masques du mie type que ceux de la Fig. 2.Une fois,l'implantation effectuée, on porte le dispositif à une tempé- rature de recuit supérieure à 750 C. On obtient alors des régions compensées réfléchissant les porteurs libres dans la région active 6 du laser. le fait que l'indice de réfraction des régions implantées soit au voisinage des liMites transversales de la région active légèrement supérieur à celui de la région active initiale ne perturbe pas le fonctionement du laser. Le principal avantage de l'implantation d'ions B+ ou N+, en dehors du fait que ces impuretés sont isoélectroniques, tient à ce qu'ils sont plus légers que les ions 0+. Ainsi, notaient les ions B+ ont une profondeur de péaétration plus grande, pour une énergie donnée, si bien que l'on ne rencontre pas de limltations sérieuses en ce qui concerne l'épaisseur des couches au-dessus de la région active 6. Il est bien évident que le procédé s'applique non seulement aux dispositifs en Ga As, nais encore aux composés voisins, tels que GaxAl1-xAs, GaxIn1-xAs, Ou GaAsxP1-x, Il ressort de la description ci-dessus que le procédé de formation de réions implantées suivant l'invention perlot d'obtenir des giides optiques et des lasers à fonctionnement continu améliorés par rapport aux guides et lasers déjà connus. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réqlisation, il faut comprendre que ladite description n'a été faite qu'à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1) Procédé de formation de régions compensées dans des dispositifs semi-conducteur en GaAs ou en composés voisins, caractérisé en ce qu'on utilise dans les régions compensées des impuretés isoélectroniques de l'arsenic ou du gallium, ces impuretés était, de plus, plus électronégatives que l'arsenic ou le gallium respectivenent et ayant un rayon de covalence sensiblerent plus petit. 2) Procédé de formation de régions compensées suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les impuretés isoélectroniques sont introduites dans les régions à compenser par implantation sous ferme d'ions, les dispositifs semi- conducteurs étant sorrmis un traitement de recuit à haute température une fois l'implantation des ions effeet. 3) Procédé de formation de régions compensées suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'impureté isoélectronique est du bore. 4) Procédé de formation de régions compensées suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qui l'impureté @@@@@@@@@@@ que est de l'azote. 5) Procédé de formation de région compensées suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le comosé voisin du GaAs est du GaxAl1-xAs. 6) Procédé de formation de régions compensées suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la comp@@@ @@i min de @@@@ @@ @@@ I2f 7) Procédé de formation de région compensées suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composé voisin du GaAs est du 8) Dispositif semi-conducteur auquel le procédé suivant l'une des reven dications 1 à 7 est appliqué, caractérisé en ce que la ou les régions coc- pensées formées servent de guide optique. 9) Dispositif semi-conducteur auquel le procédé suivant l'une des revendications 1 à 7 est appliqué, caractérisé en ce que le dispositif est tla laser à hétérostructure rt les régions compensées formées servent à limiter transversalement la région active du laser. 10) Dispositif semi-conducteur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le guide optique formé est la région active d'une diode laser.