Brevet FR2768556A1 — publié le 19990319

La présente invention concerne les composants semiconducteurs à hétérojonction, plus particulièrement les composants utilisant la discontinuité de bande de conduction entre un matériau semiconducteur III-V binaire et un matériau semiconducteur III-V ternaire ou plus. Le matériau III-V binaire de substrat, qui est le plus souvent de l'arséniure de gallium GaAs, est actuellement le matériau III-V binaire le plus répandu bien que d'autres composés, notamment InP et GaSb, puissent être également envisagés pour le substrat. Sur ce substrat sont déposées une ou plusieurs couches minces d'un matériau semiconducteur III-V qui est généralement ternaire, mais peut également être un alliage quaternaire ou même quinquénaire (tous ces alliages seront qualifiés globalement de "ternaires ou plus"). Cette couche active peut être constituée d'une ou plusieurs couches de matériaux ternaires ou plus présentant des compositions et/ou des fractions molaires différentes afin d'associer de manière avantageuse leurs propriétés électroniques différentes. Elle sera désignée par la suite sous le terme "couche mince" ou "couches minces". On peut par exemple associer ainsi une couche de substrat d'arséniure de gallium GaAs à plusieurs couches d'arséniure de gallium et aluminium Al Gal As (O Transistors) ou HEMTs (High Electron Mobility Transistors). Lors de l'épitaxie de la couche mince sur le substrat, il est souhaitable que les paramètres de maille cristalline du matériau du substrat et du matériau que l'on épitaxie dessus soient les plus proches possibles (idéalement les mêmes). A cet égard, comme on peut le voir par exemple sur le diagramme de la figure 1 qui donne, pour les différents alliages III-V utilisés, l'énergie de la bande interdite en fonction du paramètre de maille, GaAs et AlAs ont pratiquement même paramètre de maille (moins de 0,75 % d'écart), de sorte que les alliages ternaires Au gal As qui sont des alliages Allas + GaAs situés sur la ligne joignant le point MAs (x = 1) et le point GaAs (x = 0) - auront un paramètre de maille très proche de celle de GaAs et pratiquement indépendant de la teneur x en aluminium. C'est principalement en raison de cet excellent accord des mailles cristallines que les hétérojonctions AlxGal xAs/GaAs sont en pratique les plus fréquentes. Pour obtenir l'accord de maille, on peut également réaliser des alliages In Gal As PI~Z sur substrat InP, avec des valeurs bien choisies de y et z. Malgré les intérêts techniques des alliages en accord de paramètre de maille sur InP, le coût élevé et la fragilité mécanique de InP constituent des handicaps importants. De plus, les substrats InP ne sont aujourd'hui réalisés que dans des tailles plus réduites (75 mm de diamètre de tranche au plus, contre 100 mm et plus pour les substrats GaAs), et avec un coût très élevé (trois à quatre fois plus chers que GaAs) et une fragilité importante. Quant aux substrats de GaSb, ils sont encore de très faible taille, coûteux et sont loin d'atteindre le stade industriel. Ainsi, en pratique, on constate que GaAs est le substrat industriellement le plus intéressant compte tenu de son moindre coût, de sa robustesse et de la possibilité de l'obtenir en tranches de grand diamètre. Toutefois, pour des applications d'électronique rapide et/ou d'optoélectronique, on souhaite pouvoir déposer sur GaAs des matériaux riches en indium et/ou en phosphore. Il se pose alors le problème du désaccord de maille au moment de l'épitaxie. Dans ce cas, lorsque la couche mince déposée n'a pas le même paramètre de maille que le substrat, elle subit une contrainte mécanique de tension ou de compression (selon que le paramètre de maille de la couche mince épitaxiée est inférieur ou supérieur à celui du substrat). Ces hétérostructures où la couche mince reste sous contrainte élastique, en compression ou en tension, sans apparition de dislocations d'interface, sont appelées "hétérostructures pseudomorphiques". Cette contrainte mécanique, lorsqu'elle dépasse les limites d'élasticité du matériau en couche mince, finit par rompre les liaisons atomi ques ; au relâchement de la contrainte, la couche mince relaxe plastiquement et il apparaît dans celle-ci des dislocations qui se constituent en réseau et se propagent dans la couche mince. Ces dislocations et leurs propagations ont été décrites dans la littérature, par exemple par G H Holsen, "Interfacial Lattice Mismatch in III-V Compounds", Journal of Crystal Growth, 31 (1975): 223-239, ou encore par J C Harmand et coll., "Lattice-Mismatched Growth and Transport Properties on InAlAs/InGaAs Heterostructures on GaAs Substrates", Jap JofApp Phys, Vol. 28, nO 7 (1989): il 01-1103. Selon Holsen, quand le désaccord de maille entre la couche mince épitaxiale et le substrat n'excède pas 2 % environ (et même au-delà selon Harmand et coll.), il se forme à la surface de la couche mince un réseau bien ordonné de microsillons donnant à la surface l'aspect d'un damier, appelé "cross-hatch" dans la technique. Ce réseau est d'aspect orthogonal quand la croissance de la couche mince épitaxiée est initiée sur un substrat de plan (100), il est plutôt d'aspect losangé à 60 quand la croissance est initiée sur un substrat de plan (111), la surface de la couche mince épitaxiée ayant, entre les microsillons, un aspect "miroir". Lorsque le désaccord de maille entre la couche mince épitaxiée et le substrat excède 2 %, le réseau de cross-hatch disparaît pour faire place à une surface très rugueuse, qui pourrait être liée à des inhomogénéités d'alliages dans les couches minces. La surface est alors d'aspect tridimensionnel. D E Grider et coll., " Metamorphic InyGal yAs/InzAll zAs Heterostructure Field Effect Transistors Grown on GaAs (001) Substrates Using Molecular-Beam Epitaxy", J Vac Sci Technol B, Vol. 8(2), mars/avril 1990 : 301-304, indiquent à cet égard que les dislocation se propagent en densité importante tout le long de la couche mince épitaxiale, y compris dans la partie active de l'hétérostructure, où la mobilité des électrons y chute de façon radicale du fait de cette forte densité de dislocations. La structure du matériau de la couche tampon est "métamorphique" en ce que le matériau est un matériau désadapté en maille qui a relaxé sur le plan plastique, à l'opposé d'une structure pseudomorphique, où le matériau est élastiquement déformé. Une telle structure métamorphique permet d'accommoder la désadaptation de paramètre de maille entre le substrat et la couche mince épitaxiee. On a proposé d'intercaler entre le substrat et la couche mince une couche intermédiaire dite "couche tampon" ou "couche de sacrifice", par exemple une couche d'All tIntAs ou d'InuGa1 uAs entre un substrat de GaAs et des couches minces de InxGai.xAs et AlyInl yAs. Cette couche tampon présente une teneur en indium t ou u qui varie graduellement, de façon continue ou par saut, depuis le substrat GaAs (où t ou u = 0) jusqu'aux couches minces épitaxiées (où t = y et u = x). Cette gradualité est un moyen d'emmagasiner de manière continue (ou par sauts) l'énergie de contrainte générée par le désaccord du paramètre de maille existant entre le substrat et les couches minces. D'autres paramètres, tels que le choix des épaisseurs de la couche tampon, de l'ordre du micromètre, et de la température d'épitaxie sont ajustés pour minimiser l'impact des dislocations générées sur les couches minces supérieures. Mais, dans tous les cas, on reste confronté à des problèmes de morphologie de surfaces très dégradée. Comme on l'a indiqué plus haut, la présence de dislocations peut, dans certains cas, avoir une incidence sur le plan électrique, en réduisant la mobilité des électrons dans la partie active de l'hétérostructure. Mais le cross-hatch ou la rugosité présentent également l'inconvénient de perturber les systèmes de guidage optiques par laser des chaînes de fabrication automatisées, du fait du coefficient de réflexion fortement diminué, qui ne permet plus de réaliser le guidage automatique des machines de transfert. Une morphologie de surface dégradée rend également difficile la réalisation de composants à effet de champ à grille submicronique. Le cross-hatch et la rugosité constituent de ce fait un obstacle à la recherche d'une densité d'intégration élevée. D'autre part le cross-hatch et la rugosité créent une surface perturbée rendant difficile la réalisation des composants électroniques. L'invention propose un nouveau type de composant semiconducteur essentiellement dépourvu de cross-hatch et de rugosité de surface, qui permette de remédier à ces inconvénients alors que la couche épitaxiale est en fort désaccord de maille avec le substrat. On verra que l'invention permet en particulier la réalisation de composants de types très variés, avec des couches minces comportant des matériaux riches en indium et/ou en phosphore épitaxiées sur des substrats de GaAs, conservant donc les avantages de ce dernier type de substrat (moindre coût, robustesse, disponibilité en tranches de grand diamètre). On verra en particulier, lorsqu'on examinera des exemples de composants réalisés selon l'invention, que l'on peut atteindre avec des composants sur substrat GaAs des performances équivalentes à celles que l'on obtiendrait avec des composants classiques sur substrat InP. En effet, dans les structures AlxInl xAs/In > Gal yAs pseudomorphiques sur substrat GaAs couramment utilisées, par exemple pour la réalisation de transistors HEMT ou de diodes laser à puits quantique, la teneur en indium y peut difficilement dépasser 30 %, en pratique 25 %, sous peine de voir apparaître des dislocations d'interface, l'hétérostructure perdant alors son caractère pseudomorphique. Or les compositions avec des teneurs en indium supérieures à 30 % présentent des intérêts techniques certains, car on démontre que, pour une hétérostructure AlxInl xAs/InyGal yAs sur substrat GaAs, la combinaison optimale entre densité du gaz d'électrons bidimensionnel (donc densité de courant dans le transistor), vitesse de déplacement des électrons (donc rapidité du transistor) et tension de claquage du transistor (donc puissance admissible par le transistor) est atteinte pour une teneur en aluminium x d'environ 35 % et une teneur en indium y comprise entre 35 et 45 % (50 % si l'on souhaite maximiser la vitesse de déplacement des électrons dont dépend la tension de claquage). De telles compositions sont impossibles à réaliser en structure pseudomorphique, et l'on était donc jusqu'à présent contraint soit de réduire les teneurs en aluminium et en indium, et donc limiter des performances, soit d'accepter la dégradation de l'état de surface (crosshatch ou rugosité élevée) avec, ici encore, des inconvénients corrélatifs. Ces problèmes de dégradation de surface n'ont jusqu'à présent pas permis de dépasser le stade du laboratoire (cf. M Chertouk et coll., "Metamorphic InAlAs/InGaAs HEMTs on GaAs Substrates with Composite Channels and f of 350 GHz", IPMR '95, 9-13 mai, Japon, Yang et coll. "Enhanced Device Performance by Unstrained InO 3Ga0 7As/ InO 29A10 71As Doped-Channel FET on GaAs Substrates, IEEE Electron Device Letters, Vol. 17, n 8, août 1996, Win et coll. "High-Performance InO 3GaO 7As/Ino 29Alo 7lAs/GaAs Metamorphic High-Ele ctron-Mobility Transistor", Jpn. J. Appui. Phys., Vol 33 (1994): 3343-3347). Pour s'affranchir de ces limitations, l'invention propose plus précisément d'utiliser entre couches minces et substrat une couche tampon intercalaire d'adaptation du paramètre de maille, cette couche tampon étant de structure métamorphique et les couches minces épitaxiées é- tant essentiellement dépourvues de réseau de cross-hatch et présentant une très faible rugosité de surface, que l'on peut définir comme inférieure à 2 nm, notamment une rugosité inférieure à 1,5 nm, très avantageusement une rugosité inférieure à 1 nm. En particulier, la couche tampon peut être un alliage III-V antimoniure binaire ou ternaire, ou un alliage III-V antimoniure-arséniure ternaire au moins. La couche tampon peut être une couche graduée dont la composition varie progressivement avec l'épaisseur depuis la couche de substrat jusqu'à la couche mince épitaxiale. L'invention s'applique tout particulièrement à la réalisation d'une hétérostructure GaAs/AlxIn1-xAs/InyGa1-yAs avec une fraction molaire d'indium y > 25 %, ou GaAs/Al1-xGaxAs1-Sby/GaAs1-zSbz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, est un diagramme donnant l'énergie de la bande interdite et le paramètre de réseau des différents composés semiconducteurs III-V. La figure 2 montre le réseau de cross-hatch des composants réalisés selon les procédés de l'art antérieur, vu de dessus au microscope optique à contraste de phase. La figure 3 montre la morphologie de surface de ce réseau de crosshatch, vue au microscope à force atomique. La figure 4 montre, à titre de référence, la morphologie de surface d'une couche épitaxiée en accord de maille avec le substrat, vue au microscope à force atomique. La figure 5 montre la morphologie de surface de couches minces épitaxiales en désaccord de maille selon les enseignements de l'invention, vue au microscope à force atomique.. La figure 6 montre ces mêmes couches, vue de dessus au microscope optique à contraste de phase. La figure 7 est une caractéristique donnant la densité du gaz d'électrons bidimensionnel en fonction de la teneur en indium de la couche mince épitaxiée, dans un composant réalisé selon les enseignements de l'invention. La figure 8 est un diagramme montrant la mobilité électronique du gaz d'électrons bidimensionnel en fonction de la teneur en indium de la couche mince épitaxiée, dans un composant réalisé selon les enseignements de l'invention. # Sur la figure 1, que l'on a déjà évoquée plus haut, les composés binaires se situent aux points mentionnés, tandis que les composés ternaires se situent, en fonction de leur composition, sur les lignes reliant deux composés binaires (les lignes en trait plein correspondant aux composés à bande interdite directe et celles en tiretés aux composés à bande interdite indirecte), les composés quaternaires étant situés dans les aires délimitées par les quatre composés binaires correspondants. Si l'on prend l'exemple courant d'une structure In Gal As sur substrat GaAs, plus la teneur en indium de la couche mince est élevée, plus on se rapproche du point InAs sur la courbe joignant GaAs à InAs, et plus le désaccord de maille entre ce point et GaAs sera élevé. Si l'on souhaite garder une structure pseudomorphique, présentant donc un bon état de surface, on est obligé de se limiter à une teneur en indium de 30 % (en pratique 25 %). Au-dessous de 25 % d'indium, on reste dans les limites élastiques du matériau, et l'on peut réaliser les structures pseudomorphiques présentant des bonnes propriétés à la fois électriques et mécaniques, ce qui n'est pas le cas lorsque la teneur en indium dépasse 25-30 % : des dislocations apparaissent, la structure perd son caractère pseudomorphique et le cross-hatch apparaît. La figure 2 montre le réseau de dislocations que l'on obtient, dans ces conditions avec une hétérostructure In Gal As/ACInlyAs à 35 % d'indium épitaxiée sur un substrat GaAs (100), vu de dessus au microscope optique à contraste de phase avec un grossissement x 200. La figure 3 montre ce même réseau de cross-hatch en surface de la couche mince épitaxiale, vu par microscopie à force atomique le long de l'un des axes, qui fait apparaitre des sillons dont la largeur est de l'ordre du micromètre, séparés entre eux d'une distance de l'ordre du micromètre également, et de 3,5 nm de profondeur. Cette rugosité très importante est à comparer à celle, beaucoup plus faible (de l'ordre de 0,5 nm) que l'on obtient lorsque la couche mince épitaxiée est en accord de paramètre de maille avec le substrat, par exemple une couche AlxGal xAs sur substrat GaAs, comme on peut le voir sur la figure 4 (on notera en outre que l'échelle verticale selon z a été agrandie sur cette figure 4 par rapport à la figure 3, pour mettre en évidence la très faible rugosité). Selon l'invention, on épitaxie entre le substrat et les couches minces constituant les hétérostructures non contraintes un tampon d'accommodation spécifique constitué d'une ou plusieurs couches. Dans la suite, on décrira le procédé sur substrat GaAs, car il s'agit d'un matériau très aisé à obtenir et qui, en appliquant les enseignements de l'invention, permet d'obtenir d'excellentes performances. Toutefois, on pourrait également appliquer l'invention à un substrat InP ou GaSb, malgré le moindre intérêt commercial d'un tel choix. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, le tampon d'accommodation est constitué d'une ou plusieurs couches ayant relaxé plastiquement (présentant donc une structure métamorphique) d'un alliage quaternaire M AlxGal xAsl ySby, de type III-III-V-V, c'est-à-dire constitué de deux éléments III (le gallium et l'aluminium) et de deux éléments V (l'arsenic et l'antimoine). Une telle couche tampon, que l'on peut donc définir comme étant un tampon métamorphique d'un alliage antimoniure-arséniure quaternaire, permet d'accommoder la désadaptation du paramètre de maille entre le substrat GaAs et les couches minces épi taxiées, par ajustement des teneurs y en antimoine et x en aluminium. Ce choix n'est cependant pas limitatif, et l'invention s'applique également à l'utilisation de couches tampon réalisées à partir d'alliages antimoniure-arséniure ternaires tels que GaAsl USbu ou AlAs1 tSbt, ou d'alliages antimoniure binaires tels que GaSb, AlSb et InSb, ou ternaires tels que AlxGal XSb, ainsi qu'à toutes les combinaisons de couches qu'il est possible de réaliser entre ces différents alliages. Avantageusement, mais non nécessairement, la ou les couches constituant le tampon d'accommodation peuvent présenter une certaine gradualité de composition, par exemple, dans le cas de l'alliage quaternaire AlxGal xAsl ySby, les teneurs x en aluminium et y en antimoine (et donc 1-x en gallium et 1-y en arsenic) peuvent varier entre la couche de substrat et les couches minces épitaxiées, soit de façon continue soit par sauts. Quant aux couches minces constituant l'hétérostructure, elles peuvent être constituées de toutes les combinaisons de matériaux III-V connues, notamment d'alliages ternaires et quaternaires, arséniures tels que AlyInl yAs, InxGal xAs et (Ak1Ga1-u)1-zInzAs, phosphures tels que yInyPX InxGal xP et (AluGa1-u)1-zInzP ainsi que d'alliages ternaires, quaternaires et mêmes quinquénaires combinant à la fois phosphures et arséniures tels que (AluGa1-u)1-zInzAs1-tPt), ainsi qu'antimoniures tels que Al1-xGaxAs1-ySby ou GaAs1-ySby. La figure 5 montre l'aspect de surface d'un composant comportant des couches minces en désaccord de maille, épitaxiées conformément au procédé de l'invention. Ce composant présente une rugosité de surface de l'ordre de 0,8 nm, très proche de celle d'un composant où les couches minces sont en accord de maille (comparer avec la figure 4). La figure 6 est une vue de dessus, au microscope optique à contraste de phase avec un grossissement x 200, montrant l'absence totale de cross-hatch (comparer a contrarjo avec la vue de la figure 2). Les figures 7 et 8 montrent les performances électriques, respectivement la densité du gaz d'électrons bidimensionnel et sa mobilité électronique, mesurées par effet Hall, en fonction de la teneur en indium u sur différents échantillons de couches minces InxGa1-xAs/AlyIn1-yAs épitaxiées sur substrat GaAs avec un fort désaccord de maille (u pou vant aller jusqu'à près de 60 %). Ces figures montrent d'excellentes performances électriques obtenues grâce à l'invention, pour des composants que l'on ne savait aujourd'hui réaliser qu'avec un état de surface très dégradé, cross-hatch ou très forte rugosité. On voit notamment que, grâce à la présente invention, on peut réaliser sur substrat GaAs des composants ayant des propriétés de transport électronique élevées qui avoisinent, voire qui dépassent, celles atteintes par l'état de l'art des hétérostructures en épitaxie sur substrat InP, en s'affranchissant donc de tous les inconvénients liés à ce matériau de technologie difficile. REVENDICATIONS 1. Un composant semiconducteur comportant une hétérojonction formée entre un substrat d'un premier matériau semiconducteur III-V binaire, notamment de GaAs, et d'au moins une couche mince épitaxiale d'un deuxième matériau semiconducteur III-V ternaire au moins en désaccord de maille cristalline supérieur à 1,8 % avec le matériau du substrat, avec au moins une couche tampon intercalaire d'un troisième matériau semiconducteur III-V ternaire d'adaptation de maille avec la couche mince, caractérisé en ce que la couche tampon est de structure métamorphique et la couche mince épitaxiale est essentiellement dépourvue de réseau de cross-hatch et présente une rugosité de surface inférieure à 2 nm. 2. Le composant de la revendication 1, dans lequel la rugosité de surface de la couche mince épitaxiale présente une rugosité de surface inférieure à 1,5 nm. 3. Le composant de la revendication 2, dans lequel la rugosité de surface de la couche mince épitaxiale présente une rugosité de surface inférieure à 1 nm. 4. Le composant de la revendication 1, dans lequel le matériau de la couche tampon est un alliage III-V antimoniure binaire ou ternaire. 5. Le composant de la revendication 1, dans lequel le matériau de la couche tampon est un alliage III-V antimoniure-arséniure ternaire au moins. 6. Le composant de la revendication 1, dans lequel la couche tampon est une couche graduée dont la composition varie progressivement avec l'épaisseur depuis la couche de substrat jusqu'à la couche mince épitaxiale. 7. Le composant de la revendication 1, comportant une hétéro structure GaAs/AlxIn1-xAs/InyGa1-yAs avec une fraction molaire d'indium y > 25 %. 8. Le composant de la revendication 1, comportant une hétérostructure GaAs/Al1-xGaxAs1-ySby/GaAs1-zSbz.