Brevet FR2656955A1 — publié le 19910712

Structure à semiconducteurs pour composant optoélectronique La présente invention concerne une structure à plusieurs couches en matériau semiconducteur notamment pour laser à l'état solide Plus généralement, l'invention trouve application en optoélectronique, et pour une bonne part au niveau de l'intégration monolithique de fonctions opto et microélectroniques. Le silicium Si et l'arséniure de gallium Ga As sont les matériaux semiconducteurs les plus employés actuellement. Si un très haut degré d'intégration a été obtenue en microélectronique au silicium, l'optoélectronique s'est, elle, développée à partir d'hétérostructures avec des matériaux semiconducteurs des groupes III et V de la classification de Mendeleiev, telles que Ga As/Ga Al As sur substrat de Ga As et telles que Ga In As/Al In As ou Ga In As/In P sur substrat d'In P L'intégration sur un même substrat de dispositifs optoélectroniques et microélectroniques ayant des fonctions complémentaires, mais réalisés à partir de matériaux différents, par exemple des matériaux des groupes III et V et du silicium, est une perspective particulièrement séduisante, qui a motivé un intense travail de recherche ces dernières années. Un substrat en silicium présente de nombreux avantages: résistance mécanique, perfection, conductibilité thermique élevée, faible coût, etc C'est la déposition de matériaux III-V sur silicium qui a été principalement étudiée De nombreux progrès ont été réalisés concernant ce type de croissance épitaxiale et ont permis de vaincre partiellement les obstacles rencontrés: la difficulté de déposer un matériau polaire tel que semiconducteur III-V, sur un matériau non polaire, tel que silicium, et la grande différence de paramètre de maille entre ceux-ci, par exemple 4 % pour Ga As sur Si. -2 - Ce désaccord implique en particulier la présence d'une très grande quantité de dislocations dans les premières dizaines de nanomètres du matériau épitaxié Ces dislocations peuvent être dues à la préparation de l'état de la surface sur laquelle est effectuée la croissance épitaxiale, et/ou à une dégradation de la qualité cristallographique du semiconducteur épitaxié au cours du temps Quelle que soit leur origine, les dislocations engendrent des inhomogénéités locales et peuvent évoluer. Par exemple, lorsque le paramètre de maille cristalline dans une couche est inférieur à celui d'une seconde couche, la première couche est soumise à une tension et des dislocations naissent dans l'interface des couches Si la première couche constitue la couche active d'un composant laser, les performances du composant laser dépendent fortement du nombre de dislocations présentes Ces défauts affectent bien sûr le courant de seuil de ce composant à porteurs minoritaires, mais aussi son vieillissement La présence d'un champ électrique, et de fortes densités de photons et de porteurs aident en effet, lors du fonctionnement du composant, le déplacement des défauts existants et assistent la génération de nouveaux défauts. Pour les applications traditionnelles d'optoélectronique, des composants optoélectroniques sont réalisés à partir des hétérostructures de semiconducteurs III-V, telles que Ga As/Ga Al As sur substrat de Ga As et telles que Ga In As/Al In As ou Ga In As/In P sur substrat d'In P Les taux de dislocations obtenus lors de la croissance de ces structures par les techniques conventionnelles, comme l'épitaxie par jets moléculaires, et l'épitaxie en phase vapeur à partir d'organométalliques, sont de l'ordre de 104/cm 2 Ces taux sont compatibles avec le bon fonctionnement de ces composants optoélectroniques, comme en témoigne l'utilisation commerciale à grande échelle de certains d'entre eux, tels que diodes laser Ga As/Ga Al As à longueur d'onde de 0,85,Mm; dans certains cas cependant, le -3déplacement et la multiplication des dislocations au cours du fonctionnement des composants ont pu être observés, et corrélés avec des problèmes de durée de vie de ces composants. Ces problèmes liés aux dislocations, latents dans le cas présent, deviennent cruciaux si ces défauts sont plus nombreux dans le matériau utilisé. Dans le cas de la croissance d'un matériau III-V sur silicium, la recherche d'un taux de dislocations le plus faible possible dans la structure est donc primordiale Les taux de dislocation dans la couche superficielle du matériau restent de l'ordre de 106 à 107 dislocations par cm 2 Le nombre de dislocations tend à décroître avec l'épaisseur du dépôt, mais on ne peut déposer plus de 4 à 5 microns de matériau Au delà, la très grande différence de coefficients de dilatation entre le silicium et le matériau III-V entraîne la formation de nombreuses fissures dans la couche épitaxiée lors du passage de la température de croissance, de l'ordre de 500 à 6000 C, à la température ambiante Cet échec des tentatives de réduction du nombre de dislocations est lourd de conséquences en ce qui concerne la stabilité des composants lasers réalisés sur substrat en silicium. Pour illustrer les résultats obtenus, on peut considérer le cas d'une structure à Ga As sur Si, qui a été le plus intensément étudiée A l'heure actuelle, une observation d'émission en continu et à la température ambiante n'a jamais été rapportée pour des lasers à double hétérostructure, une dégradation du composant intervenant avant le seuil laser. Par contre, un fonctionnement en mode pulsé à la température ambiante, puis en continu sur de faibles durées de l'ordre de la minute a été observé pour des lasers à puits quantiques, c'est-à-dire des structures à confinement séparé par gradient d'indice La réduction des dimensions de la couche active a donc un rôle clairement bénéfique sur le fonctionnement du composant optoélectronique Ce résultat est lié à plusieurs facteurs favorables L'utilisation du concept de confinement séparé conduit à une réduction du courant de -4- seuil du composant, et donc à une stabilité accrue de celui-ci Par ailleurs, la taille de la couche active, seul endroit de la structure o les deux types de porteurs sont simultanément présents, est réduite: la diffusion des porteurs avant recombinaison se fait maintenant dans un plan et les dislocations n'interviennent plus dans la capture des porteurs que par leur fragment de ligne qui intersecte la couche active Cependant, même avec ces structures à puits quantiques, les composants obtenus sont peu stables, et présentent des problèmes marqués de durée de vie. L'invention vise à réduire l'influence des dislocations sur le fonctionnement des structures pour composant optoélectronique, tel que laser, réalisées à partir de matériaux semiconducteurs. A cette fin, une structure à plusieurs couches en matériaux semiconducteurs, est caractérisée en ce que l'une des couches comprend des inclusions tridimensionnelles en un matériau semiconducteur ayant une bande interdite plus étroite que la bande interdite du matériau de ladite couche. De préférence, la couche comprenant les inclusions constitue la couche active d'un composant optoélectronique, tel que laser Les inclusions assurent une fonction de piégeage des porteurs, évitant ainsi une diffusion de ceux-ci vers le coeur des dislocations et les centres non radiatifs associés, et sont le siège de la recombinaison radiative entre électrons et trous piégés conduisant au gain laser. L'insertion des inclusions est effectuée au cours de la croissance, en utilisant le mode de nucléation tridimensionnel observé lors de 1 ' épitaxie de matériaux III-V très désaccordés par rapport au substrat utilisé. D'autres avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d'une réalisation préférée de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: la Fig 1 est une vue schématique en coupe transversale d'une structure de laser selon la technique antérieure; - la Fig 2 est un diagramme épaisseur-énergie quantique de la structure selon la Fig 1, en correspondance avec la ligne II-II; la Fig 3 est un diagramme épaisseur-indice de réfraction de la structure montrée à la Fig 1, selon la ligne II-II; la Fig 4 est une vue schématique en coupe transversale d'une structure à plusieurs couches en matériaux semiconducteurs conforme à l'invention, d'un type analogue à celui de la Fig 1; la Fig 5 est une vue schématique de détail de la couche active dans la structure montrée à la Fig 4; les Figs 6 et 7 sont des diagrammes épaisseur-énergie quantique de la structure montrée à la Fig 4, en correspondance avec les lignes VI-VI et VII-VII dans la Fig 5, respectivement; et les Figs 8, 9 et 10 sont des vues schématiques en perspective de la structure de la Fig 4 pour illustrer l'état de la couche active de la Fig 5 avant et après dépôt d'inclusions dans un plan et après dépôt d'une sous-couche de couche active sur les inclusions, respectivement. Comme cela apparaît par comparaison des Figs 1 et 4, une structure d'un laser semiconducteur conforme à l'invention est analogue à une structure de laser connu à l'état solide La structure connue comprend un substrat semiconducteur 1 et un empilement de trois ou quatre couches en matériau semiconducteur 2, 3, 4 et 5 disposé sur une face principale du substrat 1. Selon la réalisation illustrée à la Fig 1, quatre couches 2 à 5 sont prévues et constituent une double hétérostructure Les couches 2 et 4 sont en matériau semiconducteur offrant des étroites bandes interdites BI entre bande de valence BV et bande de conduction BC, et des indices de réfraction élevés; le matériau semiconducteur des couches 2 et 4 peut être du Ga As Les deux autres couches 3 et 5 sont en matériau semiconducteur ayant des largeurs 6 - de bande interdite L 3 et L 5 plus grandes que la largeur de bande interdite L 4 de la couche 4, comme montré aux Figs 2 et 3, et des indices de réfraction faibles Le caractère étroit des bandes interdites des couches 2 et 4 est ici défini relativement au caractère large des bandes interdites des couches 3 et 5 Dans ces conditions, les couches 3 et confinent, comme il est connu, un faisceau laser se propageant dans la couche active 4 intermédiaire entre les couches 3 et 5. Selon une réalisation préférée, l'empilement de couches 2 à 5 constitue une double hétérostructure Ga As /Ga Al As formée sur un substrat en silicium Si. La couche 2 est du type monocouche ou multicouche et est epitaxiée directement sur ladite grande face du substrat 1 et est en Ga As La couche 2 constitue une couche tampon aussi peu disloquées que possible qui vise uniquement à fournir un support accordé en maille à la structure laser proprement dite constituée par les couches 3, 4 et 5 Selon certaines variantes, la couche 2 peut être omise. La couche active 4 est également en Ga As et, est interposée entre les couches épaisses 3 et 5 et plus mince que celles-ci. Les couches 3 et 5 sont en l'alliage ternaire Ga Al As ayant un indice de réfraction plus faible que celui de la couche active 4 enterrée entre les couches 3 et 5 Les couches 3 et 5 sont dopées avec des impuretés de conductivité opposées, respectivement de type N et p Ainsi des électrons et trous injectés sont confinés et se recombinent dans la couche active 4 qui assure le confinement de l'onde optique. Dans la couche 4 qui constitue le milieu actif du laser, de l'énergie est transférée à l'onde électromagnétique par la recombinaison des porteurs. Pour être complet, on notera que l'invention peut s'appliquer à tout type de structure connue en matériaux semiconducteurs pour laser ou composants optoélectroniques tels que modulateurs optiques ou commutateurs optiques En particulier, les couches de confinement 3 et 5 peuvent être constituées chacune par plusieurs couches du même matériau mais avec des concentrations de dopage différentes, et la couche supérieure 5 peut être recouverte d'autres couches en matériau semiconducteur différent et/ou de conductivité différente, voire de couche isolante telle que Si O 2 ou Si 3 N 4. Bien entendu, de part et d'autre de l'empilement des couches sont prévues deux couches métalliques minces 6 et 7, formant électrodes. En se reportant à la Fig 4, la structure de laser semiconducteur selon l'invention comporte un substrat la, et des couches superposées 2 a, 3 a, 4 a et 5 a ainsi que des électrodes 6 a et 7 a qui sont agencés les uns par rapport aux autres de la même manière que le substrat 1, les couches 2 à 5 et les électrodes 6 et 7 dans la structure connue montrée à la Fig 1 Toutes les couches, à l'exception de la couche 4 a, sont identiques aux couches correspondantes dans la structure connue. Selon l'invention, la couche active 4 a est modifiée par rapport à la couche antérieure 4, par des inclusions ponctuelles 8 en un matériau semiconducteur, tel que l'arséniure d'indium In As, ayant, comme montré à la Fig 6, une largeur de bande interdite L 8 plus petite que celle L 4 du matériau semiconducteur de la couche active 4 a, tel qu'arséniure de gallium Ga As Comme montré en détail et schématiquement à la Fig 5, les inclusions 8 d'In As forment des ilôts sensiblement en calotte semisphérique qui sont répartis dans la couche 4 a, avec une densité sensiblement uniforme, dans plusieurs plans parallèles aux couches de confinement 3 a et 5 a Pour éviter toute surcharge de la Fig 5, seulement trois plans Pl, P 2, PN d'inclusions 8 y ont été illustrés. La fabrication du laser semiconducteur selon l'invention est analogue à celle d'un laser de même type selon la technique antérieure, à l'exception de l'étape de formation de la couche active 4 a L'ensemble de la structure du laser est réalisé par la même technique de croissance, par exemple l'épitaxie par jets moléculaires EJM, ou selon une autre variante par épitaxie en phase vapeur. A la fin de la formation de la couche de confinement 3 a débute la croissance par épitaxie par jets moléculaires du matériau Ga As constituant la couche 4 a Lorsque l'épaisseur de cette couche atteint chacun des plans Pl à PN, la croissance est interrompue à cet endroit de la structure, comme montré à la Fig 8 pour le plan P 2 Une fine couche d'In As est déposée sur la surface de la "sous-couche" ainsi formée 4 a 1, 4 a 2, de la couche active 4 a Le matériau, mn As, présente un fort désaccord de maille avec Ga As, de l'ordre de 7 %, ce qui influence fortement le mode de croissance d'In As La première couche moléculaire Pl d'In As, en pratique ayant une épaisseur de 0,3 nm environ, accommode élastiquement cette différence de paramètre de maille Cependant, dès la seconde monocouche, correspondant au plan P 2, un passage à un mode de croissance tridimensionnel est observé à la température usuelle de croissance de 500 à 5500 C Des ilôts 8 d'arséniure d'indium In As sont formés à la surface Au cours d'une observation de ces ilôts au microscope électronique en transmission à balayage STEM (Scanning Transmission Electron Microscope), il est constaté que la taille des ilôts d'In As est assez homogène, ainsi que la répartition des ilôts est relativement uniforme à la surface de l'échantillon, comme montré au niveau de la seconde sous-couche active 4 a 2 à la Fig 8 En pratique, chaque inclusion est inscrite dans un petit pavé de taille 5 x 5 x 2 nm 3 environ, et les inclusions sont réparties dans un ou plusieurs plans, tels que les plans illustrés Pl, P 2 et PN à la Fig 5. Après chaque dépôt d'inclusions dans un plan, la croissance épitaxiale de Ga As est à nouveau effectuée pour former une autre sous-couche active Les inclusions 8 sont ainsi enterrées au sein de la couche active 4 a Les inclusions, contraintes dans la matrice de Ga As, ne contiennent cependant pas de dislocation. 9 - Comme montré aux Figs 6 et 7, l'arséniure d'indium In As possède une énergie de bande interdite plus petite que celle de l'arsénuire de gallium Ga As Les inclusions 8 ont donc un caractère plus attractif pour les électrons et les trous. Une étude en photoluminescence de structures d'In As dans du Ga As montre que le piégeage des porteurs par les inclusions est très efficace, ce qui se traduit par une luminescence très intense liée aux inclusions, et une très faible contribution de la matrice en Ga As, et que la qualité optique de ces structures est très bonne Une étude en transmission de ces structures montre que cette luminescence est intrinsèque, c'est-à-dire liée à la présence d'une forte densité d'états conjointeà l'énergiede luminescence Enfin, la taille des inclusions et donc la position de la raie de luminescence associée dépendent de la quantité d' In As déposée après le passage à un mode de croissance tridimensionnel. En outre, la densité des inclusions 8 d'In As dans un plan Pl à PN est très élevée, environ 1012/cm 2, et en particulier est très grande devant le nombre de dislocations dans les structures connues Ga As sur Si, typiquement de l'ordre de 106/cm 2 Les inclusions 8 se trouvant à proximité d'une dislocation ne représentent donc qu'une infime fraction de leur population Les porteurs injectés ont donc une très forte probabilité d'être piégés par une inclusion plutôt que par une dislocation, et par une inclusion intacte plutôt que par une inclusion perturbée par la proximité d'une dislocation Enfin, la présence de zones fortement contraintes dans la structure autour des inclusions d'In As peut inhiber le déplacement des dislocations existantes. Le facteur de confinement F, qui représente la fraction de l'onde optique contenue dans la couche active 4 a est faible pour la structure selon l'invention, alors qu'il est voisin de 1 dans la double hétérostructure comme montré à la Fig 1 Pour un plan d'inclusions Pl à PN, le facteur de confinement est voisin de celui d'une structure à un mono-puits quantique de 0,6 nm de large Par contre, le gain - par unité de volume du milieu actif gv augmente très fortement pour un tel laser à boites quantiques Pour obtenir la même amplification de l'onde optique dans la cavité, le gain modal r.gv doit être le même pour les deux structures Il est alors nécessaire de multiplier les plans d'inclusions dans la structure pour augmenter le facteur de confinement optique. Cette exigence est satisfaite par exemple en formant N= 10 à 40 plans Pl à PN d'inclusions 8 d'In As dans une cavité de Ga As ayant une épaisseur de 200 nm. Bien que la description ci-dessus se réfère à une hétérostructure Ga As/Ga Al As, des inclusions dans la couche active d'autres hétérostructures connues peuvent être introduites selon l'invention Parmi les hétérostructures d'alliages semiconducteurs des composés III-V, on peut citer les structures laser (In Ga)As/(In Al)As ou (In Ga)As/In P sur substrat très désaccordé Si ou Ga As Ici des inclusions d'In As peuvent être réalisées par le procédé selon l'invention A la place d'alliage binaire ou ternaire peut être prévu un alliage quaternaire, tel que Ga In As P ou In Ga Al As Le procédé selon l'invention est également mis en oeuvre dans des structures accordées lorsque le substrat utilisé disponible commercialement est de qualité insuffisante, c'est-à-dire offre un taux de dislocation élevé. L'invention s'applique également aux structures laser habituellement utilisées pour optimiser le facteur de confinement optique et la collection des porteurs, telles qu'hétérostructures à confinement séparé, à confinement séparé par gradient d'indice, etc. Il est possible d'appliquer l'invention dans le cadre d'autres techniques de croissance, pour lesquelles un passage à un mode de croissance tridimensionnel est observé La réalisation d'une structure laser Ga As sur Si à inclusions d'In As serait par exemple également possible en épitaxie en phase vapeur à partir d'organométalliques. D'une manière générale, la présente invention permet de il - réduire la dégradation des performances de composants optoélectroniques dès lors que celle-ci est due aux dislocations, qu il S 'agisse de 1 'augmentation de leur nombre ou de leur déplacement, puisque l'influence des dislocations est diminuée Cet aspect est important pour l'application puissance des composants laser. 12 - REVENDICATIONS 1 Structure à plusieurs couches en matériaux semiconducteurs (la-5 a), caractérisée en ce que l'une ( 4 a) des couches comprend des inclusions tridimensionnelles ( 8) en un matériau semiconducteur ayant une bande interdite (L 8) plus étroite que la bande interdite (L 4) du matériau de ladite couche ( 4 a). 2 Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites inclusions ( 8) sont réparties dans plusieurs plans (Pl à PN) sensiblement parallèles. 3 Structure conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la taille de chacune des inclusions est de l'ordre de 50 nm 3. 4 Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite couche comprenant lesdites inclusions est une couche active ( 4 a) d'un composant optoélectronique. Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les inclusions ( 8) sont en arséniure d'indium (In As). 6 Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite couche ( 4 a) comprenant lesdites inclusions ( 8) est en l'un des matériaux semiconducteurs suivants: In Ga As, Ga As, Ga In As P, In Ga Al As. 7 Procédé pour fabriquer la structure à plusieurs couches en matériaux semiconducteurs conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au cours de la croissance du matériau constituant ladite couche ( 4 a), ladite croissance est interrompue au moins une fois pour déposer une fine couche (Pl à PN) du matériau semiconducteur constituant lesdites inclusions. 8 Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que ladite croissance résulte d'une épitaxie par jets moléculaires ou d'une épitaxie en phase vapeur, notamment à partir d'organométallique.