Brevet FR2634064A1 — publié le 19900112

COMPOSANT ELECTRONIQUE A COUCHE DE CONDUCTIVITE THERMIQUE ELEVEE L'invention concerne un composant électronique å couche de conductivité thermique élevée. Le diamant présentant la plus forte conductivité thermique connue, il est intéressant de l'utiliser dans les circuits électroniques pour dissiper la chaleur. Comme il ntexlste pas de substrat diamant monocristailin de grande taille et de faible coût, il est nécessaire d'utiliser des petits cristaux qui sont reportés au niveau des points chauds du circuit pour réaliser des puits thermiques (heat sink). Ce procédé bien connu est å la fols coûteux et difficile à mettre en oeuvre, il serait avantageux de pouvoir réaliser le circuit directement sur une couche de diamant. L'invention permet de résoudre ce problème. C'est pourquoi l'invention concerne un composant électronique å couche de conductivité thermique élevée, caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat, au moins une couche mince de diamant, l'élément actif du composant électronique étant implanté sur cette couche de diamant. Pour cela l'invention prévoit que le composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre le substrat et la couche mince de diamant, au moins une première couche d'adaptation permettant l'adaptation en mailles entre le substrat et la couche mince de diamant. Les différents objet et caractéristiques de l'invention apparaîtront de façon plus détaillée dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation du dispositif de l'invention - la figure 2, un exemple de réalisation du dispositif de l'invention appliqué à un laser ; la figure 3, un empilement de dispositifs selon l'invention Ce dispositif doit comporter sur un substrat 1, un composant électronique représenté par l'élément actif 5 et éventuellement une zone de passivation 6. Pour permettre la dissipation thermique nécessaire en raison de l'échauffement de l'élément actif 5, l'invention prévoit d'implanter l'élément actif 5 sur une couche mince de diamant celle-cl étant réalisée sur le substrat 1. Le substrat 1 peut être en un matériau tel qu'il nty ait pas adaptation avec le diamant. Pour obtenir, néanmoins, un ensemble monocristallin on prévoit alors une couche d'adaptation 2 entre le diamant 3 et le substrat 1. Cette couche d'adaptation peut être - soit une couche tampon dont la composition varie dans le sens de l'épaisseur de façon telle qu'elle soit adaptée au matériau du substrat ainsi qu'au diamant comme cela sera décrit ultérieurement - soit un super réseau comportant un succession alternée de couches adaptées en maille substrat et de couches adaptées en maille au diamant. Dans le cas d'une couche tampon, si le matériau est d'une composition A, la couche tampon est à base de cette composition A et de carbone C et possède alors une composition Ax C1-x Où X prend des valeurs variant de 1 à 0 lorsqu'on décrit la couche tampon en partant du substrat 1 vers la couche mince 3. Par exemple, si le substrat est du silicium, la couche tampon 2 a pour composition C Six C1 x L'épaisseur d'une telle couche peut être, par exemple, comprise entre 500 et 1000 Angstroems. Dans le cas d'un super réseau si le substrat est de composition A, le super réseau est une alternance de couches de matériau A et de couches de carbone. Par exemple, si le substrat est du silicium, le super réseau est constitué de couches alternées de silicium et de carbone. A titre d'exemple l'épaisseur de chaque couche du super réseau est d'environ 4 à 10 Angstroems, l'ensemble du super réseau pouvant avoir quelques centaines d'angstroems. Une telle couche d'adaptation 2 permet ainsi d'assurer la qualité cristalline de la réalisation de la couche de diamant sur le substrat et d'obtenir ainsi des propriétés thermiques et électriques convenables. Ainsi, le fait de conserver le caractère monocristallin du substrat permet de réaliser sur la couche de diamant 3 un élément actif 5 de matériau semi-conducteur tel que Si, GaAs, InP, etc, pour réaliser des circuits électroniques. Pour assurer la qualité cristalline de l'élément actif 5, il peut être nécessaire de passer par l'intermédiaire d'une couche d'adapfation (couches tampons ou super réseaux) par analogie avec l'étape précédente. Par exemple dans le cas de GaAs, il est possible d'utiliser une transition GaAs-Ga InP d'environ 500 Angstroems. Comme dans le cas de la couche d'adaptation 2, si la couche d'adaptation 4 est une couche tampon, celle-ci a une composition variant entre la couche de diamant et la couche 4 de façon à être adaptée d'une part au diamant d'autre part à la couche active. De la même façon dans le cas d'un super réseau on prévoit comme précédemment une alternance de couches de carbone et de couches d'un matériau adapté à l'élément actif 5. La figure 2, représente un exemple d'application du dispositif de l'invention appliqué à un laser semi-conducteur. On retrouve sur cette figure - le substrat 1 - la couche d'adaptation 2 (ou couche tampon) - la couche de diamant 3 - la couche d'adaptation 4 (couche tampon) - l'élément actif 5 constitué d'une première couche de confinement 50, d'une couche active 51 et d'une deuxième couche de confinement 52 - la couche de passivation 6. Pour obtenir une bonne diffusion de la chaleur par l'intermédiaire de la couche diamant, il est souhaitable de travailler avec une couche active de faible épaisseur (1000-2000 Angstroems) et une couche diamant dont l'épaisseur est comparable aux dimensions des zones actives qui sont sources de chaleur (typiquement de l'ordre du micromètre). Cette structure substrat/dismant/semi-conducteur permet d'obtenir une dissipation thermique optimale. En outre les bonnes propriétés électriques du diamant (forte résistivité, faible permittivité) sont favorables à l'amélioration des performances des circuits électroniques gravés ultérieurement dans la couche active. Il est enfin possible de déposer à nouveau sur la couche active après gravure, une nouvelle couche de diamant 6 (où éventuellement de carbone adamantin) pour assurer à la fois la passivation des circuits et un complément de dissipation thermique. Il est aussi possible d'itérer la totalité du processus pour superposer plusieurs couches actives. Chaque couche active est alors séparée des couches actives voisines par une couche de carbone. Comme cela est décrit précédemment, chaque couche de carbone peut être adaptée, si besoin est, aux couches actives par des couches d'adaptation. Cela revient ainsi à réaliser une structure du type représentée en figure 3 dans laquelle un premier élément actif 5 est réalisé sur une couche de diamant 3 réalisée elle-même sur le substrat avec des couches d'adaptation 2 et 4 appropriées. Sur l'élément actif est réalisée une autre couche de diamant 3'. Si cela est nécessaire, une couche d'adaptation 2' est prévue entre la couche de diamant 3' et le premier élément actif 5. Un deuxième élément actif 5' est implanté sur la couche de diamant 3' par l'intermédiaire, si besoin est, d'une couche d'adaptation 4', et ainsi de suite, d'autres éléments actifs pouvent être superposés en intercalant des couches de diamant bonne conductrice de la chaleur. Pour la réalisation d'un tel dispositif, il est possible d'épitaxier, sur le substrat 1, par couches atomiques successives (ALE) une structure monocristalline de carbone sous forme de diamant (3) å l'aide de techniques telles que - M B E Molecular Beam Epitaxy (Epitaxie par jet moleculaire). - M O C V D Metallo-Organic Chemical Vapor Déposition (Dépôt en phase vapeur d'organo métallique) - M O C B E Metallo-Organic Chemical Beam Epitaxy (Epitaxie par Jet d 'organo-métallique) - P E C V D Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition (Dépôt en phase vapeur assisté par plasma) . Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'å titre d'exemple non limitatif. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment les exemples numériques n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1. Composant électronique à couche de conductivité thermique élevée, caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat (1), au moins une couche mince de diamant (3), l'élément actif du composant électronique (5, 6) étant implanté sur cette couche de diamant. 2. Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre le substrat (1) et la couche mince de diamant (3), au moins une première couche d'adaptation (2) permettant l'adaptation en mailles entre le substrat (1) et la couche mince de diamant (3). 3. Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre la couche mince de diamant (3) et de l'élément actif (5, 6) du composant électronique, au moins une deuxième couche d'adaptation (4) assurant l'adaptation en mailles entre la couche mince de diamant (3) et le composant (5, 6). 4. Composant électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche d'adaptation (2) est une couche tampon présentant une variation de composition dans le sens de l'épaisseur telle que sa composition soit sensiblement adaptée à celle du substrat (1) à proximité de celui-ci tandis qu'elle est sensiblement. adaptée à celle du diamant à proximité de la couche mince de diamant (3) 5. Composant électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat est du silicium et la couche tampon (2) est de composition Six C1-x, la valeur x variant de 1 à 0 dans l'épaisseur du substrat. 6. Composant électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche d'adaptation (2) est un super réseau constitué d'une alternance de couches d'une part d'un matériau adapté à celui du substrat et d'autre part de carbone. 7. Composant électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat est du silicium et le super réseau (2) est constitué de couches en silicium et de couches en carbone. 8. Composant électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième couche d'adaptation (4) est une couche tampon présentant une variation de composition dans le sens de l'épaisseur telle que sa composition soit sensiblement adaptée à celle du diamant à proximité de la couche mince de diamant tandis qu'elle est sensiblement adaptée à celle de la couche la plus proche du composant électronique à proximité de celle-ci. 9. Composant électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième couche d'adaptation (4) est un super réseau constitué d'une alternance de couches d'une part de carbone et d'autre part d'un matériau adapté à celui de la couche du composant électronique la plus proche de la couche mince de carbone (3). 10. Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couche supérieure (7) de diamant, ou de carbone adamantin, recouvrant le composant électronique. 11. Composant électronique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement d'éléments actifs de composants électroniques séparés par des couches minces de diamant.