Brevet FR2517485A1 — publié le 19830603

La présente invention concerne la fabrication de lasers semi-conducteurs et, plus particulièrement, le contr 3 le de la croissance de couches épitaxiales dans le cours d'une telle fabrication. Jusqu'à maintenant, la construction de lasers semi-conducteurs à structures compliquées de différents types a été retardée par des difficultés dans le contrôle de la croissance épitaxiale, particulière- ment dans l'obtention d'une précision adéquate dans la position des frontières entre couches adjacentes Un problème particulier se pose dans la construction des lasers exigeant la coincidence d'éléments obte- nus par croissance épitaxiale avec des localisations déjà définies par les étapes précédentes du processus La présente invention concerne en outre l'utilisation de la possibilité d'obtenir des caractéristiques de nucléation différentes dans la croissance épitaxiale sur des plans cristallins différents pour réguler la croissance épitaxiale Les plans permettant une nucléation-aisée sont couverts rapidement durant la croissance épitaxiale, tandis que ceux sur lesquels la nucléation est difficile restent initialement non couverts On réalise ainsi une croissance épitaxiale sélective. Suivant une des caractéristiques de la présente invention, fournissant une méthode de construction pour un laser à hétéro -structure à nervure enfouie en matériau semi-conducteur composite, comprenant la croissance épitaxiale de trois couches, dont une couche active située entre des couches supérieure et inférieure en matériau ayant une bande interdite plus large et un indice de réfraction plus faible, une attaque sélective est pratiquée à travers lesdites couches active et passives, de manière à laisser subsister une nervure saillante,dont les côtés sont profilés, en tenant compte de l'orientation cristalline de manière que, dans une étape ultérieure de croissance épitaxiale, la nucléation sur les bords de la nervure et au-dessus de la couche active soit affectée par ledit profil favorisant une nucléation en-dessous de ladite couche active, tandis que la croissance sur les flancs de la nervure est tempo- rairement arrêtée dans le voisinage de la jonction entre la couche active et la couche passive inférieure. L'invention est applicable aux lasers fabriqués dans des matériaux semiconducteurs composites, d'une manière générale, mais l'on considèrera plus particulièrement son application dans le cas des com- posés semi-conducteurs du type fausse galène Les propriétés de croissance sélective ne sont habituellement pas remarquables dans le système Ga As,&Ga,A 1)As, dans les conditions normalement adoptées pour la crois- -sance de ces matériaux, mais elles sont plus accentuées dans les condi- tions de croissance habituellement utilisées pour la croissance épitaxiale en phase liquide dans le système In P/(In,Ga)(As,P) On pense que cette sélectivité provient de la structure du type fausse galène des cristaux et de la manière dont ils croissent par épitaxie en phase liquide. Dans le cas d'un phosphure d'indium, les surfaces { 1113 A sont faites exclusivement d'atomes In triplement liés au cristal, tandis que les surfaces { 111} B sont faites seulement d'atomes P, également triplement liés au cristal Pour qu'une croissance puisse se produire sur de telles surfaces, les atomes doivent se lier eux-mêmes à la surface. Les atomes In doivent se lier d'eux-mêmes aux surfaces { 111 i B et des atomes P aux surfaces fli 1} A Initialement, de tels atomes seront attachés au cristal par une liaison seulement; une telle liaison est très instable Dans le cas de la croissance à partir de bains à base d'indium, comme c'est généralement le cas pour l'épitaxie en phase liquide dans le système In P/(In,Ga)(As,P), cette instabilité est compen- sée sur les surfaces { 111 B par la fréquence à laquelle de nouvelles liaisons sont réalisées Cependant, la concentration du phosphore dans le bain en fusion est inférieure à celle de l'indium, par conséquent, l'instabilité des atomes P à une seule liaison interdit-une croissance rapide sur les surfaces { 111 i A L'inhibition de la croissance sur ces surfaces peut, si on le désire, être réduite en augmentant la supersa- turation du bain Il est également possible, en employant une autre méthode de croissance, d'intervertir les taux relatifs de croissance sur les plans A et B Cela peut être plus facile à obtenir en utilisant l'épitaxie en phase vapeur à la place de l'épitaxie en phase liquide. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent la figure 1, une vue en coupe schématique à travers un laser à hétéro-structure à nervure enfouie conçu selon la théorie les figures 2 et 3, deux étapes successives dans la fabrication d'un laser à hétéro-structure à 'nervure enfouie conçu selon la présente invention. La conception théorique d'un laser à hétéro-structure à nervure enfouie est illustrée par la figure 1 Dans cette structure, une fine couche active 10 est prise en sandwich entre deux couches passives 17485 de confinement 11 et 12 de types de conductivité opposés La couche active a un indice de réfraction plus élevé et une largeur de bande interdite plus faible que les deux couches de confinement Cela procure un confinement de l'onde optique et des porteurs de charge dans le sens perpendiculaire au plan des couches, c'est-à-dire dans l'axe l 1003 La structure résultante fait ensuite l'objet d'une attaque ne laissant subsister qu'une nervure étroite s'étendant selon l'axel 001 l qui corres- pondra à l'axe de la cavité optique du laser L'agent d'attaque utilisé pour former la nervure est normalement du Br 2-CH 30 F et il en résulte une nervure dont les parois sont orientées selon l'axe 1113 A comme le représente la figure 1 Les c 5 tés exposés 13 de la nervure résultante sont ensuite protégés par le dépôt épitaxial d'un matériau d'indice de réfraction plus faible et de largeur de bande interdite plus élevée, ce qui procure un confinement latéral A cette fin, on fait croître deux couches, une couche 14 de type P, adjacente au matériau de type N de la nervure, et une couche 15 de type N, adjacente au matériau de type P de la nervure Ensuite, habituellement, on procède à une diffusion 16 de type P, en vue de la préparation des contacts Pour que le dispositif fonctionne de la façon la plus efficace, la jonction PN entre les couches 14 et 15 doit coïncider avec la couche active 10 Cela est dif- ficile à réaliser avec des parois de nervure ayant une seule orientation telle que f 111 l A La figure 2 indique comment ce problème de coïncidence est surmonté par l'utilisation d'une nervure dont les parois sont verti- cales jusqu'à la région active, puis ensuite inclinées Les étapes initiales de fabrication du dispositif de la figure 2 sont sensiblement les mêmes que celles du dispositif de la figure 1 Ainsi, une couche passive 20, de type N, en In P, est déposée sur un substrat monocristal- lin 21 de type N Cette étape est suivie de la croissance d'une couche active 22 en matériau quaternaire (In,Ga) (As,P), puis d'une couche passive 23 en matériau de type P, en In P La couche passive de type P est recouverte d'une couche de couverture 24 de type P, en matériau ternaire (In,Ga)As ou quaternaire (In,Ga)(As,P) en vue de l'établissement des contacts Des techniques photolithographiques courantes sont ensuite utilisées pour déposer sur la structure résultante un masque 25 en dioxyde de silicium, généralement par voie pyrolytique Ce masque est utilisé pour définir la nervure requise dans les étapes ultérieures du processus d'attaque. Les orientations cristallines sont indiquées dans la description qui va suivre par rapport à la surface d'une tranche définie comme axe( 100). Initialement, un agent d'attaque au brome-méthanol est utilisé pour ouvrir la couche de contact jusqu'à la couche passive 23 de type P sous- jacente L'orientation du substrat est telle que les couches épitaxiales sont déposées selon le plan ( 100), tandis que - l'orientation donnée à la bande masquée 25 correspond à l'axe 0013 L'agent au brome-méthanol a la propriété de révéler les plans { 1113 A sous les bords du masque et,-dans ce cas, les plans ( i 1) A et ( 11 T)A, ce qui se traduit par des flancs inclinés vers l'intérieur de la nervure. A l'apparition de la couche passive de type P, cet agent d'attaque est remplacé par un autre consistant en proportions égales par volume d'acide bromhydrique à 50 % et d'acide orthophosphorique à 85 Z Celui-ci attaque les matériaux ternaires et quaternaires beaucoup plus lentement que le matériau binaire de la couche passive 23 de type P Le matériau ternaire ou quaternaire de la couche de couverture 24 agit par conséquent comme un masque fortement adhérent pour la couche 23, tandis que le nouvel agent d'attaque révèle aussi les plans cristallins ( 111) A et ( 11 i) A. Une autre caractéristique de cet agent d'attaque est qu'il tend spontané- ment à limiter son action à l'exposition du matériau quaternaire de la couche active 22 L'agent au brome-méthanol utilisé pour attaquer la couche de contact pourrait en principe être aussi employé pour attaquer la couche active, mais, puisque l'on désire terminer l'attaque dès que les plans ( 1) A et ( i 11) A ont été découverts jusqu'à la couche passive de type N sous-jacente, un agent sélectif est préférable, tel que le composé iodure de potassium-iode Un agent approprié est fourni par molécules-grammes de I 2, 113 de KI et 100 millilitres d'H 20 Il enlève le matériau quaternaire pour exposer les plans cristallins requis et attaque le phosphure d'indium sous-jacent à une vitesse comparativement beaucoup plus faible. Lorsque la couche passive de type N a été découverte, l'agent d'attaque est remplacé par un autre révélant les plans cristallins ( 011) et ( 011) au lieu des plans ( 111)A et ( i 11)A, de sorte qu'une jonction de plans soit produite à la surface inférieure de la couche active Un agent approprié à cet emploi est fourni par un composé de quatre volumes d'acide orthophosphorique à 85 % et un volume d'acide chlorhydrique à 37 Z Cela permet d'enlever un à deux microns de la couche passive de type N Une brève attaque par l'acide nitrique dilué 17485 dans un égal volume d'eau peut être effectué pour enlever toutes souil- lures résultant de l'attaque par l'agent iodure de potassium-iode La profondeur d'attaque totale est de l'ordre de trois à cinq microns. Le dépôt ultérieur s'effectue de façon classique par croissance épitaxiale en phase liquide à 5900 C avec une température de stabilisation de 620 'C En se reportant maintenant à la figure 3, la première couche obtenue de cette façon est une couche 30 de type P en In P d'une épaisseur d'environ un micron et même moins dand les régions écartées de la nervure Dès le début, la croissance s'effectue par nucléation à partir de toute la surface ( 100) sur laquelle s'appuie la nervure et aussi des parois latérales ( 011) et ( 011), produisant un profil sensiblement tel qu'illustré en 30 a Ce profil se modifie pro- gressivement avec la croissance pour conduire sensiblement à celui qui est illustré en 30 b C'est seulement lorsque le plan du dépôt adjacent à la nervure approche le plan ( 100) que la nucléation commence à s'éten- dre de manière significative aux plans ( 111)A et ( 111)A de la partie supérieure de la nervure La croissance du matériau de type P de la couche 30 est arrêtée avant que cela ait duré Le dépôt de la couche 30 est alors suivi par la croissance d'une couche 31 de type N en In P. Cela se produit initialement de la même manière que la croissance de la couche 30, mais se poursuit jusqu'à ce que la croissance de la couche ait couvert les plans ( 1 l)A et ( 11 i)A de la nervure A ce stade, le masque 25 est remplacé par un nouveau masque 32 en silice déposée par induction, afin de permettre une diffusion de zinc 33 fournissant un matériau de type P+ convenant à la réalisation d'un bon contact électri- que. Bien que la description qui précède ait concerné spécifi- quement un laser obtenu par croissance à partir d'un substrat de type N, on comprendra aisément qu'une structure de laser pourrait aussi bien être obtenue par croissance à partir d'un substrat de type P pour lequel les procédés d'attaque et de croissance pourraient être sensi- blement les mêmes, les types de dopants étant inversés. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Méthode de fabrication d'un laser à hétéro-structure à nervure enfouie en matériau semi-conducteur composite caractérisée par le fait qu'elle comprend les étapes suivantes: croissance épitaxiale de trois couches comprenant une couche active ( 22) située entre des couches passives supérieure ( 23) et inférieure ( 20) ayant un indice de réfraction inférieur et une largeur de bande interdite supérieure; attaque sélective de ladite couche active et desdites couches passives pour ne laisser qu'une nervure saillante dont les côtés sont profilés, en ce qui concerne l'orientation cristalline, de manière que, lors d'une étape ultérieure de croissance épitaxiale, la nucléation soit différente sur les côtés de la nervure, entre la partie située jusqu'à et au-dessus de la couche active ( 22) et celle qui se trouve en-dessous de ladite couche active, au bénéfice de cette dernière, de sorte que la croissance le long des côtés de la nervure soit temporairement arrêtée au voisinage de la jonction entre la couche active et la couche passive inférieure. 2 Méthode telle que définie en 1, caractérisée par le fait que le composant est construit dans le système semi-conducteur In P/(In,Ga) (As,P). 3 Méthode telle que définie en 1 ou 2, caractérisée par le fait que ladite croissance est obtenue par épitaxie en phase liquide. 4 Méthode telle que définie en 2, caractérisée par le fait que ladite croissance est obtenue par épitaxie en phase liquide utilisant un bain riche en indium et que le profil de la nervure est tel qu'il fournit des surfaces de plan cristallin A, constituant des portions des cotés de la nervure sur lesquelles la nucléation de la croissance épitaxiale est défavorisée. Méthode telle que définie en 4, caractérisée par le fait que lesdites surfaces de plan cristallin A sont des plans tiii} A. 6 Méthode telle que définie en 5, caractérisée par le fait que lesdites surfaces de plan A sont des plans (iil)A et ( 1 1)A s'étendant sur une partie des côtés d'une nervure s'étendant selon l'axe l O o 1 J et saillant au-dessus d'une surface située dans le plan ( 100). 7 Méthode telle que définie en 6, caractérisée par le fait que le profil de la nervure est tel qu'il fournit des surfaces selon les plans ( 011) et ( 011), qui constituent des parties des cotés de la nervure sur lesquelles la nucléation de la croissance épitaxiale est favorisée.