Brevet FR2538953A1 — publié le 19840706

STRUCTURE EPITAXIALE A EFFET PIEZOELECTRIQUE EXALTE, ET DISPOSITIF ELECTRONIQUE A ONDES ACOUSTIQUES DE SURFACE COMPORTANT UNE TELLE STRUCTURE La présente invention concerne une structure épitaxiale à effet pié- zoélectrique exalté, offrant la possibilité d'intégrer sur un même cris- tal en matériau semiconducteur un ou plusieurs composants piézoé- lectriques, et des composants électroniques L'invention concerne le do- maine des ondes acoustiques de surface. Les ondes acoustiques de surface sont largement utilisées en microé- lectronique dans la réalisation de lignes à retard, de filtres adaptés à des signaux codés ou de convoluteurs par exemple En général, un système électronique de ce type est composé de deux parties distinctes, l'une réalisant la fonction acoustique, l'autre la fonction électronique de trai- tement de signal, chacune des deux parties étant constituée d'un matériau différent de celui de l'autre partie. Les ondes élastiques peuvent traiter des signaux électriques dans une gamme de fréquences s'étendant de quelques mégahertz à plusieurs giga- hertz, et l'exploitation de filtres à ondes de Rayleigh a apporté une solution élégante au problème du filtrage des signaux de radars modernes par exemple Mais la structure de ces filtres n'est simple que si le substrat est piézoélectrique Cette contrainte restreint en pratique le nombre des matériaux utilisables: par exemple quartz (Si O 2), niobate de lithium(Li Nb O 3) et tantalate de lithium (Li Ta U 3) En vue d'élargir le choix des matériaux possibles et des fonctions réalisables, des recherches sont entreprises dans le but de déposer des couches piézoélectriques, par exemple nitrure d'alu- minium (AIN) ou oxyde de zinc (Zn O) sur divers substrats tels que verre ou alumine Des structures du type "couche de Zn O sur substrat silicium" permettent une intégration hybride. Pour des raison évidentes plus l'intégration est poussée, meilleure est la fiabilité il est intéressant d'intégrer les deux fonctions acoustique et électronique sur un seul substrat, cristal semiconducteur monolithique permettant de réaliser les deux fonctions à la fois Cependant, la plupart des matériaux connus comme matériaux semiconducteurs, Si, Ga As, In P etc, ne sont pas piézoélectriques (Si) ou le sont peu (Ga As, In P). Selon l'invention, l'effet piézoélectrique d'un matériau apte à la réalisation d'un composant semiconducteur mais faiblement piézoélectrique est accru par distorsion de son réseau cristallin, afin d'en accroître la dissymétrie qui est génératrice de l'effet piézoélectrique La piézoélec- tricité du matériau est donc exaltée, puisqu'elle est forcée par la distorsion voulue de son réseau cristallographique, distorsion obtenue par le désaccord des paramètres de mailles cristallines entre le substrat et la couche dans laquelle est recherché l'effet piézoélectrique. Mais, étant donné par ailleurs que l'effet piézoélectrique exalté par la contrainte s'exerce sur une faible épaisseur, qui sera analysée plus loin, et qui ne dépasse pas 200 A en moyenne, mais que par contre les ondes de surface se déplacent sur une profondeur de l'ordre de plusieurs milliers d'angstrôms, les structures selon l'invention sont constituées par une plura- lité de couches du matériau à effet piézoélectrique exalté, alternant avec une pluralité de couches du matériau du substrat, ou d'un matériau ayant le même paramètre cristallin, chaque interface entre deux couches succes- sives, désaccordées en paramètre de mailles, distordant le réseau cristallin de la couche piézoélectrique. De façon plus précise, l'invention concerne une structure épitaxiale à effet piézoélectrique comportant, supportées par un substrat semi-isolant, une pluralité de couches épitaxiées, cette, structure étant caractérisée en ce que les couches épitaxiées forment deux groupes de couches, constituées de deux matériaux régulièrement alternés, le premier matériau du premier groupe de couches ayant un paramètre de mailles cristallines égal à celui du substrat, le second matériau du second groupe de couches ayant un para- mètre de mailles cristallines différent de celui du substrat et étant de plus piézoélectrique, le désaccord du paramètre cristallin entre le substrat et les couches du premier groupe imposant aux couches du second groupe une contrainte de déformation du réseau cristallin qui exalte l'effet piézoélec- trique. L'invention sera mieux comprise par' la description d'un exemple de structure à effet piézoélectrique exalté, laquelle s'appuie sur les figures jointes en annexes, qui représentent: figure 1: coupe schématique de deux réseaux cristallins, en accord de mailles cristallines, figure 2: coupe schématique de deux réseaux cristallins, désadaptés en paramètres de mailles, figure 3: graphique donnant l'épaisseur de la couche épitaxique sous contrainte, en fonction de la désadaptation des réseaux, figure 4: coupe schématique d'une structure multicouches à effet piézoélectrique, figure 5: coupe d'une structure intégrée monolithique à ondes acous- tiques de surface et électronique de traitement de signal, figure 6: variante de la structure précédente. Les figures 1 et 2 montrent comment l'effet piézoélectrique d'un ma- tériau peut être exalté, ce qui signifie que le réseau cristallin d'un matériau à l'origine peu piézoélectrique est déformé L'augmentation obtenue de l'effet piézoélectrique résulte du déplacement relatif des charges élec- triques dans le réseau cristallins et donc de la formation de dipôles. Sur ces figures, le réseau cristallin de la couche épitaxiée est, par convention, représenté par un réseau de droites définissant des carrés lorsque le cristal n'est pas déformé, et un rectangle si le cristal est déformé. Cette représentation schématique ne sous-entend pas que le système cristal- lin est forcément du type cubique ou que la relation épitaxiale a lieu selon un axe cristallographique déterminé En effet les considérations qui suivent sont absolument générales et s'appliquent dans tout système épitaxial Par contre, afin de donner plus de précision à la description de l'invention, celle- ci sera décrite en s'appuyant sur un exemple de réalisation d'un circuit électronique comportant un dispositif à ondes de surface sur un même substrat du type Ga As, ou, plus généralement, des familles Il-V, Il-VI, IV-VI. La figure 1 représente, déposée par épitaxie sur un substrat 1, une couche 2 en parfait accord épitaxial avec son substrat, c'est-à-dire que les paramètres de mailles sont tels que le réseau cristallin de la couche 2 correspond parfaitement aux paramètres de maille du substrat I De tels systèmes existent par exemple: Gai In, As y et In P, ou AI Ga As P et Ga As. xx y 1 î-y Al Gix I sy P'-Y La figure 2 représente le cas o une couche épitaxiale 3 est en épitaxie forcée avec le substrat 1: la couche 3 est constituée d'un matériau de paramètre cristallin différent de celui du substrat L'épitaxie a lieu par déformation plastique du réseau cristallin de la couche épitaxiale 3 On considère ici que la couche épitaxiale est beaucoup plus mince que le substrat, par conséquent, sa déformation plastique y est beaucoup plus importante Le cas représenté sur la figure 2 correspond à un étirement du réseau cristallin de la couche 3, son paramètre cristallin (a 3) étant plus petit que celui (a 1) du substrat Dans le cas o le paramètre cristallin (a 3) de la 0 couche épitaxiée est plus grand que le paramètre cristallin (a 1) du substrat, la couche épitaxiée est en compression, mais l'effet de déformation du réseau cristallin reste comparable. Si la désadaptation des réseaux cristallins est trop importante pour que les contraintes puissent être absorbées entièrement par l'élasticité du matériau, il se crée des dislocations de désadaptation de réseau (DAR), et la contrainte est relachée La densité de dislocation dépend du paramètre du désaccord cristallin Aa 3 = a 3-al et des propriétés mécaniques du matériau. En général, une couche épitaxiale d'épaisseur très fine absorbe la désadaptation de réseau par élasticité, mais si cette épaisseur devient importe la rigidité de la couche s'accroît et peut créer les dislocations DAR. L'épaisseur à laquelle se produisent les dislocations DAR pour un matériau donné est appelée épaisseur critique hco 3 o W Matthews, Ao E Blakeslee et S Mader (Thin solid Films, 33 ( 1976) 253), ont montré que hc est défini par l'équation: h b ( 1 -Vcos 2 a) Lo hc c = g(hc 8 r Aa (+ v)cos O a v est le coefficient de Poisson * l'angle entre le vecteur de Burger b et la ligne de dislocation -qui s'étend dans le plan d'interface X l'angle entre b et la direction à l'interface, qui est perpendiculaire à la ligne d'intersection du plan de glissement et du plan d'interface a le désaccord de paramètre de maille a Cette équation peut se simplifier, de manière approximative, en: h =b c -2; 7-Ta La figure 3 représente la variation de hc en fonction de A a/a, c'est-à- dire l'épaisseur de la couche épitaxiale sous contrainte, sans dislocation, en fonction du désaccord de paramètre de maille, dans le cas d'une couche 3 de AI x Inx As sur un substrat 1 de Ga As Il est bien évident que cet exemple ne limite pas la portée de l'invention Ainsi, pour un couple de matériaux donnés la relation simplifiée permet de fixer l'épaisseur limite qu'il ne faut pas dépasser pour garder la couche épitaxiale sous contrainte. La variation de hc en fonction de Aa/a est, dans le cas le plus général, une droite à pente négative: il est évident que l'épaisseur de la couche sous contrainte devient d'autant plus faible que le paramètre de désaccord A a/a devient plus important Celui-ci est d'ailleurs en relation directe avec l'indice x dans la formule A Ix In ix As. La courbe de la figure 3 montre que pour avoir une déformation importante de la maille cristalline telle que La/a 10-2, il faut se limiter pour la couche épitaxiée à des épaisseurs plus faibles que 200 A Une telle couche mince n'est pas suffisante pour faire propager les ondes acoustiques de surface, puisque l'on sait que la profondeur de pénétration des ondes acoustiques de surface est de l'ordre de plusieurs milliers d'angstrôms, c'est- à-dire environ 1 micron. Afin de disposer d'épaisseur de plusieurs milliers d'angstrbms de couches sous contrainte sans se heurter pour autant à la limitation par l'épaisseur critique hcp l'invention consiste à réaliser des empilements de couches épitaxiales en épitaxie forcée, alternées avec des couches de mêmes paramètres cristallin que le substrat Les couches en épitaxie forcée ont bien entendu une épaisseur inférieure à l'épaisseur critique hc, de façon à ne pas être disloquées par désadaptation de réseau Par contre, les couches qui ont même paramètre de mailles que le substrat, ou tout au moins un paramètre de mailles différent de celui des couches épitaxiales contraintes ont, quant à elles, une épaisseur suffisante pour n'être pas déformées par les couches épitaxiales La figure 4 représente la coupe schématique d'un tel empilement à effet piézoélectrique exalté. Afin de simplifier les explications, cette figure sera exposée en admettant qu'elle correspond au couple de matériaux Ga As/Al X In Ix As, avec x = 0,3 Sur le substrat I en Ga As, on dépose d'abord une couche 3 o o de Al 03 In O 7 As d'épaisseur inférieure à 80 A, par exemple 50 A, puis une couche 4 de Ga As, d'épaisseur de l'ordre de celle de A 3 In O 7 As, puis une nouvelle couche 5 de AI O 3 In O 7 As de 50 A environ, et ainsi de suite, jusqu'à ce que l'ensemble des empilements atteignent une épaisseur suffisante pour la propagation des ondes acoustiques de surface. L'épitaxie des couches est obtenue par différentes techniques connues, telles qu'en phase gazeuse, par décomposition d'organométal- liques (MOCVD) ou par jets moléculaires. La première couche ( 3) déposée sur le substrat est "déformée" par celuici, en raison de la désadaptation du réseau La seconde couche ( 4) déposée est une couche "déformante": son interface avec la couche infé- rieure ( 3) tend à déformer le réseau de cette couche déjà déposée, et elle déforme aussi la troisième couche ( 5) dont l'épitaxie va croître avec un réseau cristallin déformé L'épitaxie de la couche 5 est donc forcée, et l'effet piézoélectrique de cette même couche est exalté La structure selon l'invention comporte donc une succession de couches dites "déformées" et "déformantes" dans le seul but de simplification -, ce qui ne signifie nul- lement que ces couches ne soient pas planes, les couches déformantes ayant un paramètre de mailles égal ou voisin de celui du substrat et ne participant pas à l'effet piézoélectrique, tandis que les couches déformées, dont l'effet piézoélectrique est exalté, ont un paramètre de mailles déformé par celui du substrat. La succession de couches "déformées" et "déformantes" est répétée jusqu'à obtenir une épaisseur suffisante pour l'usage requis On conviendra que les couches 8 et 9 sont respectivement les dernières couches déformante et déformée en surface de la structure. L'avantage de la structure à effet piézoélectrique exalté selon l'inven- tion est qu'elle met en oeuvre des matériaux semiconducteurs, tandis que les structures connues mettent en oeuvre des matériaux qui ne sont pas des semiconducteurs, en ce sens qu'on ne sait pas ou ne peut pas en faire par exemple un transistor: l'oxyde de zinc, le niobate et le tantalate de lithium. Cet avantage est mis à profit pour intégrer sur un même substrat un dispositif comportant un semiconducteur et un empilement piézoélectrique à ondes de surface. La figure 5 représente un tel dispositif, dans un premier exemple de réalisation. Pour conserver le couple de matériaux choisi pour exposer la figure 3 - et sans que cet exemple ne soit limitatif ce dispositif comporte un substrat 1 en Ga As semi-isolant, et un empilement de couches "défor- mées" 3,5 7,9 en AI 03 In O 7 As, en épitaxie forcée, et de couches "dé- formantes" 4 8 en Ga As, ces deux types de couches étant bien entendu alternées Il comporte également des fonctions électroniques d'entrée et de sortie, réalisées dans une couche superficielle de N Ga As dans le cas choisi pour l'exemple Cette couche de N Ga As est épitaxiée à la surface libre de l'empilement à effet piézoélectrique, puis est attaqué, soit par gravure chimique, soit par usinage ionique, de façon à ne laisser subsister que deux ilôts 10 et 11, aux deux extrémités de la ligne à onde de surface. Les fonctions électroniques représentées en figure 5 sont des tran- sistors à effet de champ, symbolisés par leurs trois électrodes de source S, grille G et drain D mais ils ne sont pas détaillés volontairement En effet, appartiennent au domaine de l'invention plusieurs cas v les transistors avec des métallisations sur une simple couche 10 Il de N Ga As, les transistors du type à hétérojonction, et la couche 10 Il de N Ga As est complétée par au moins une couche formant hétérojonction, de type AI y Ga Y As par exemple, ou bien ce sont des MOSFET et une couche d'isolant (Si O 2) isole la grille, les transistors peuvent également ne pas être à effet de champ, mais être bipolaires, des circuits électroniques plus complexes qu'un simple transistor, servant d'amplification ou de traitement de signal. Quel que soit le dispositif adopté, il y a au moins une liaison élec- trique 12 entre le dispositif d'entrée et une liaison électrique 13 pour le dispositif de sortie, afin d'assurer l"excitation de la ligne à ondes de surface et le traitement des signaux, et afin également d'assurer la liaison élec- trique entre deux surfaces qui ne sont pas au même niveau (épaisseur de la couche épitaxiée 10 11). La figure 6 représente le même dispositif intégré dans une seconde forme de réalisation. Ce qui différencie la seconde forme de la première est l'ordre des opérations Ainsi, le dispositif de la figure 6 est obtenu en épitaxiant d'abord, sur un substrat 1 en Ga As semi-isolant, une couche de N Ga As. Celle-ci est attaquée pour ne laisser subsister que deux ilôts 14 et 15 dans lesquels seront réalisés les transistors Puis l'empilement des couches sous contraintes, "déformées" et "déformantes" 3 à 9, est réalisé par épi- taxie: cette suite d'opérations recouvre également les deux ilôts 14 et 15 qui doivent être dégagés, à la fin des opérations, pour pouvoir déposer les métallisations d'électrodes, ainsi que les métallisations 16 et 17 de liaisons transistors dispositif piézoélectrique. Les remarques qui ont été faites au sujet de la figure 5 concernant les dispositifs électroniques restent entièrement valables pour cette configu- ration de dispositif Ils peuvent être des diodes ou des transistors à effet de champ ou bipolaires, plus ou moins complexes, et c'est la raison pour laquelle le dessin en est symbolisé L'invention a été exposée en s'appuyant sur un couple (Ga As Allîx Inx As) de la famille 1 II-V: d'autres matériaux -de cette même famille III-V, ou des familles II-VI, tels que Cd S ou Cd Te, ou IV-VI, tel que Pb Te, convien- nent également à la réalisation de dispositifs piézoélectriques intégrés. L'invention trouve son application dans la réalisation de circuits intégrés monolithiques dans lesquels, outre les fonctions électroniques courantes diodes, transistors, amplificateurs etc se trouve au moins un élément à effet piézoélectrique, pour réaliser des lignes à retard, des fil tres de bandes, des filtres adaptés à des signaux codés ou des convoluteurs par exemple. REVENDICATIONS I Structure épitaxiale à effet piézoélectrique comportant, supportées par un substrat semi-isolant ( 1), une pluralité de couches épitaxiées, cette structure étant caractérisée en ce que les couches épitaxiées forment deux groupes de couches ( 4, 8) ( 3, 5, 7, 9), constituées de deux matériaux réguliè- rement alternés, le premier matériau du premier groupe de couches ( 4, 8) ayant un paramètre de mailles cristallines égal à celui du substrat ( 1), le second matériau du second groupe de couches ( 3, 5, 7, 9) ayant un paramètre de mailles cristallines différent de celui du substrat ( 1) et étant de plus piézoélectrique, le désaccord du paramètre cristallin entre le substrat ( 1) et les couches ( 4,8) du premier groupe imposant aux couches ( 3, 5, 7, 9) du second groupe une contrainte de déformation du réseau cristallin qui exalte l'effet piézoélectrique. 2 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur des couches sous contrainte ( 3, 5, 7, 9) du second groupe est plus faible que l'épaisseur à laquelle apparaissent les dislocations de réseau cristallin, pour un désaccord du paramètre de mailles donné. 3 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur des couches ( 49 8) du premier groupe est au moins égale à l'épaisseur des couches du second groupe sous contrainte ( 3, 5, 7, 9). 4 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur totale des couches épitaxiées ( 3 à 9) est suffisante (= I 1) pour permettre la propagation des ondes acoustiques de surface. Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le couple des matériaux utilisés pour le substrat ( 1) et les couches ( 4, 8) du premier groupe, d'une part, et pour les couches ( 3, 5, 7, 9) du second groupe, d'autre part, est choisi parmi les composés de la famille III-V (Ga, In- As, P, Sb). 6 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le couple des matériaux utilisés pour le substrat ( 1) et les couches ( 4, 8) du premier groupe, d'une part, et pour les couches ( 3, 5, 7, 9) du second groupe d'autre part, est choisi parmi les composés de la famille II-VI (Cd-Te, S) . 7 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le couple des matériaux utilisés pour le substrat ( 1) et les couches ( 4, 8) du premier groupe, d'une part, et pour les couches ( 3, 5, 7, 9) du second groupe, d'autre part, est choisi parmi les composés de la famille IV VI (Pb Te). 8 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle intègre en plus sur le même substrat ( 1), de façon monolithique, au moins un dispositif électronique réalisé dans au moins un ilôt ( 10) de maté- riau semiconducteur déposé sur la surface libre de la structure piézoé- lectrique, le dispositif électronique étant en contact électrique avec ladite structure par l'intermédiaire d'une métallisation ( 12). 9 Structure épitaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle intègre en plus sur le même substrat ( 1), de façon monolithique, au moins un dispositif électronique, réalisé dans au moins un ilôt ( 14) de maté- riau semiconducteur déposé sur la surface libre du substrat ( 1) à côté de la structure piézoélectrique, le dispositif électronique étant en contact élec- trique avec ladite structure par l'intermédiaire d'une métallisation ( 16) . 10 Dispositif électronique à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une structure ëpitaxiale monolithique, à effet piézoélectrique exalté, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.