Brevet FR2542328A1 — publié le 19840914

La présente invention a pour objet un procédé de dépôt par épitaxie sous ultravide, permettant d'obtenir, soit une modulation de la composition dans le plan de la couche déposée, soit le dépôt sélectif de cette couche sur certaines zones d'un substrat. De façon plus précise, elle concerne les techniques de dépôt par épitaxie qui consistent à di- riger sur un substrat chauffé à une température appr@ priée les différents constituants de la couche à dépo sep, par exemple sous la forme de jets atomiques, de jets moléculaires ou de vapeurs. Depuis quelques années, les développements de composants pour l'optoélectronique et la microélectrcnique nécessitent la réalisation de couches minces à base de semiconducteurs III-V ou de leurs dérivés ternaires et quaternaires. Généralement, on réalise de telles couches par épitaxie sur un substrat binaire par des techniques classiques telles que l'épitaxie en pbase liquide (LPE), l'épitaxie chimique en phase vapeur (CVD), et l'épitaxie par jet moléculaire (MBE). Pour la réalisation de tels composants, il est souvent nécessaire de ne réaliser le dépôt que sur certaines zones du substrat, et ceci peut être obtenu en utilisant un masque mécanique dans l'enceinte de dépôt par épitaxie ; on peut aussi obtenir ce dépôt sélectif après avoir effectué le dépôt de la couche par épitaxie sur la totalité du substrat en utilisant des techniques de masquage et de gravure. Ceci perme@ obtenir une grande résolution mais nécessite souvent une reprise d'épitaxie et le fait de réaliser certai nes étapes à l'air pose des problèmes de contamina tion.La technique de masquage mécanique dans l'en teinte de dépôt par épitaxie évite ces problèmes, mais la résolution obtenue est nettement plus faible. Par ailleurs, notamment pour des applications en optoélectronique, il peut être intéressant d'obtenir une modulation de la composition dans le plan de la couche déposée par épitaxie, par exemple, pour moduler les propriétés optiques et électriques du materlau dans ses trois dimensions et réaliser ainsi "in si des yuides optiques (matériaux à indice va riablr,5 des guides de courant (matériaux à mobilité va@iable) ou des lasers à longueur d'onde variable (matériaux à @ande interdite variable). De plus, la modulation de la composition ou du dopage dans le plan de la couche déposée par épitaxie ouvre des perspectives nouvelles pour la réalisation de nouvelles structures du type superréseau puits quantiques à configuration latérale dont un des avantages est d'entre bien adapté aux techniques planar. Or ceci n'a pu êtr@ obtenu jusqu'à présent par les procédés connus d'épitaxie. La présente invention a précisément pour objet un procédé d'épitaxie sous ultravide qui permet justement d'obtenir, dans de bonnes conditions, soit le dépôt sélectif de la couche sur certaines zones du substrat, soit une modulation de ha composition dans le plan de la couche déposée. te procédé selon l'invention de dépôt par épitaxie sous ultravide consiste à diriger sur un substra chauffé un flux de ou des éléments constituant la couche à déposer, et il se caractérise en ce que l'on chauffe le substrat au moyen d'un faisceau lase@ de façon telle qu'on obtienne une modulation de la température sur la surface du substrat, certaines zones du substrat étant portées à une température T et les autres zones du substrat étant portées à une tem- rature T+#T. r,3 température de base T peut être ob- tenue par une technique de chauffage classique.Ceci est d'autant plus nécessaire que la température T est élevée Selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention, cette modulation de température est obtenue en formant sur la surface du substrat, à partir dudit faisceau laser, une figure d'interféren- ce, une figure de diffraction ou l'image d'un masque. Ainsi, on obtient une modulation de l'intensité lumineuse du faisceau laser. Si le faisceau laser est assez intense, il chauffe le substrat. Cet échauffement suit, avec des limitations qui sont décrite-s plus loin, l'intensité dép e donc l'image désirée. Ceci conduit à unt i :ulation de la température sur la surface du substrat : les zones du -substrat illuminées sont portées a' une température plus élevée que celle des zones non illuminées. Selon un second mode de réalisation du procédé de l'invention, on obtient cette modulation de température, en déplaçant sur la surface du substrat ledit faisceau laser et en modulant sa puissance de façon synchrone au déplacement. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de déplacer le faisceau lumineux à une vitesse plus élevée que la vitesse de diffusion thermique pour réali- ser de façon efficace la modulation de T. Dans tous les cas, la résolution est limitée par la vitesse de diffusion thermique. Dans les deux modes de réalisation du procédé de l'invention, on peut choisir l'écart de tempéra- ture #T et la température T de façon à obtenir, grace à la modulation de température, soit une épitaxie selective, c'est-à-dire le dépôt de la couche seulement sur certaines zones du substrat, soit une modulation de la -composition dans le plan de la couche déposée. Dans le cas où l'on veut obtenir un dépôt sélectif, la température T et l'écart de température #T sont tels que la température T+hT corresponde à une vitesse de croissance nulle de la couche épitaxiée et que la température T corresponde au dépôt de la couche sur le substrat. En effet, on rappelle que lors de l'épita- xie, on envoie sur le substrat chauffé un flux d'atomes et/ou de molécules J0 et on porte le substrat à une température élevée, par exemple de l'ordre de 6000C dans le cas d'un substrat en GaAs. Dans ces con- ditions, il se produit une désorption thermique sur le substrat avec un flux J1 qui dépend de la température T à laquelle est porté le substrat et qui augmente exponentiellement avec T. ta vitesse de croissance V est proportionnelle à (J0-J1) et dépend ainsi de T de façon très sensible. Ainsi, pour des températures élevées. J1 peut prendre une valeur supérieure à J0 et la vitesse de croissance peut devenir négative. Si l'on module T, on module J1 et par conséquent la vitesse de croissance V. Aussi, lorsqu'on veut réaliser sur le substrat une épitaxie sélectie, c'est-à-dire ne déposer la couche épitaxiée que sur certaines zones du subsw trat, il suffit que la température T+#T sur les zones du substrat qui ne devront pas comporter de couche, soit supérieure à la température T choisie pour le dépôt de la couche épitaxiée et que la température T+#T corresponde à une vitesse de croissance nulle de la couche. De même, on peut obtenir une modulation de la composition dans le plan de la couche déposée en choisissant de façon appropriée l'écart de température #T. En effet, lors de la croissance d'un composé binaire, ternaire ou quaternaire, le comportement de la couche épitaxie dépend de façon critique de la température à la surface du substrat et ceci dans des plages très étroites de températures car la désorption thermique des différents éléments constituant le composé à déposer ne se produit pas aux mêmes températu- res. De ce fait, on peut choisir une température pour laquelle la désorption de l'un des éléments est plus élevée, ce qui conduit à un appauvrissement de la couche en cet élément. Ainsi, lors du dépot par épitaxie de GaAlAs sur un substrat en GaAs, la désorption thermique de Ga se produit à des températures plus basses que celles de Al et une augmentation de- température conduit donc à un appauvrissement en Ga de la couche posée, Il en est de même lors du dépôt par épitaxie d'une couche de InAlAs. On peut aussi utiliser le procédé de lBin- vention pour moduler le dopage dans le plan d'une cou- che de semi-conducteur déposée par épitaxi@ sur un substrat, par exemple moduler le dopage en .. dans le plan d'une couche de GaAs. Dans le cas où l'on utilise un laser continu pour chauffer le substrat, on peut obtenir cette différence de température hT en modulant l'éclairement de la surface du substrat en fonction des motifs que l'on veut obtenir. Par exemple, lorsque les motifs épitaxiés doivent reproduire un réseau de pas x0, On peut chauf- fer le substrat cie manière classique à la temp ature T0 et imposer une modulation supplémentaire de tempé rature de période x0 et d'amplitude hT suffisante pour reaLise la croissance selon le motif recherché1 ce qui revient à moduler la puissance du laser continu avec la période x0 par un dispositif optique pour que la puissance du laser varie de la façon suivante x P=Pmax.cos 2## x0 Dans le cas deun laser continu, à l'équili- bre thermique et dans un mode le simple, la modulation de températures #T correspond sensiblement à avec a représentant le coefficient d'absorption de la lumière et K la conductivité thermique du substrat. Si l'on prend par exemple le cas d'un subs- trat de GaAs irradié dans le visible, on a &alpha;=105 cm 1 et K=0,13 W#cm-1#K-1. Aussi, si l'on veut obtenir une résolution de 10 m, la différence de températures aT(K) entre les différentes zones du substrat doit être de 0,02 #P(W). Dans le cas alun substrat de GaAs, où AT doit être d'environ 40 K supérieure à une température de base de 6700C (obtenue par chauffage classique par exemple) pour annule@ complètement la croissance sur les zones du substrat chauffees à la températu@e supé- rieure la différence de puissance AP introduit par le laser doit être supérieure à 5.103 W/cm2 Ceci peut etre obtenu, mais on se trouve a la limite du seuil de dommage optique du substrat en GaAs puisque ce seuil est de l'ordre de 104 W/cm2. Aussi, si l'on utilise un laser continu, on doit limiter le pas du réseau à 5 m pour ne pas dépasser le seuil de 104 W/cm2. Le procédé de l'invention s'applique au deS pôt de couches de composés binaires, ternaires ou quaternaires en particulier au dépôt de couches de semi- conducteurs III-V éventuellement dopés. A titr d'exemples de tels composés, on peut citer S-i, GaAs, InP, ZnS, CdTe, GaSb, GaAlAs, InAlAs, InGaSb, HgCdTe, InGaAlAs, InGaAsD, InGaAsSb. toutefois lorsqu'on veut obtenir une modulatin de la composition de la couche, le procédé ne peut s'appliquer aux composés pour lesquels la température de désorption du ou des éléments dont la teneur doit varier, est supérieure à la température maximale d'épitaxie. Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages car il permet d'obtenir une modulation de la vitesse de croissance et de la composition du dépot dans son plan, sans nécessiter différentes opérations et tout en obtenant une bonne résolution. En effet, on peut obtenir directement, par une seule opération de dépôt, une épitaxie sélective en opérant dans une enceinte à l'abri de l'air, ce qui supprime les problèmes de contamination. De plus, il n'est pas nécessaire d'utiliser des caches mécaniques pour obtenir le dessin souhaité et il est possible d'obtenir une grande résolution et une grande complexité d'image. Enfin, le procédé de l'invention permet également de graver en creux et d' effacer éventuellement un dépôt défectueux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lecture des exemples suivants donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif. EXEMPLE 1. Cet exemple cor,cerne le dépôt sélectif par épitaxie de GaAs sur un substrat en GaAs pour obtenir un réseau ayant un pas de 10 ssm. On utilise une enceinte d'épitaxie par jets moléculaires pour déposer la couche de GaAs et, dans ce but, on introduit le substrat dans l'enceinte d'épitaxie où les flux de gallium et d'arsenic sont engendrés en utilisant un four de gallium à une température d'environ l0000C et un four d'arsenic à une température d'environ 300 C. Pour,reallser le chauffage du substrat, on utilise un laser continu dgune puissance de quelques 103 W-cm 2 associé à un dispositif optique constitué par un masque, qui perm d d'obtenir sur le substrat une figure d'éclairement ayant la forme d'un rés@@u dont le pas est de 10 m, et de fixer la puissanc iu laser à 5.103 W/cm-2 pour porter les zones éclairé@@ à une température de 7100C, alors que les zones non éclairées sont à la température de base de 6700C obtenue par chauffage classique du substrat. Le procédé d'évaporation à partir de différents creusets est mis en oeuvre une fois que cet équilibre thermique est atteint sur le substrat Dans ces conditions, on obtient un dépôt sélectif de GaAs sur les zones du substrat portées à la température de 6700C. La résolution spatiale ultime est limite par le seuil de dommage optique qui est de 104 W/cm2 et donne un réseau de pas 6 mu. EXEMPLE 2. Dans cet exemple, on réalise un dépôt de GaAlAs sur un substrat en GaAs et on fait varier la composition de la couche déposée de Ga1-y Aly As à Ga1-y-0,1 Aly+0,1 As, selon un réseau ayant un pas de 10 m. Dans cet exemple, on réalise l'épitaxie com me précédemment, en utilisant une enceinte d'épitaxie par jets moléculaires comportant un four de gallium porté à une température d'environ 10000C, un four d'arsenic porté à une température d'environ 300 C et une source d'aluminium porté à une température de