Brevet FR2787919A1 — publié le 20000630

PROCEDE DE REALISATION D'UN SUBSTRAT DESTINE A FAIRE CROITRE UN COMPOSE NITRURE. La présente invention se rapporte aux procédés qui permettent de réaliser un substrat particulièrement adapté pour faire croître à sa surface, de préférence par dépôt hétéro-épitaxial un composé nitruré de la classe III/V, plus particulièrement du nitrure de gallium GaN. Les substrats obtenus par ce procédé sont essentiellement des pseudo- substrats, en ce lo sens qu'ils comportent plusieures couches dont seule la couche supérieure est adaptée à la croissance de ces composés tout en présentant une épaisseur relativement mince, les autres caractéristiques, en particulier mécaniques, étant obtenues avec la ou les autres couches, dont l'épaisseur permet de qualifier l'ensemble de "substrat". Dans certaines variantes du procédé selon l'invention, on n'obtient cependant finalement qu'une couche monolithique du composé permettant la croissance epitaxiale. Les matériaux semi-conducteurs de la classe III/V, qui étaient jusqu'à ce jour essentiellement limités à l'arséniure de gallium GaAs, connaissent actuellement une diversification importante vers les matériaux du type nitrure, formés donc à partir d'azote et d'un deuxième, voire d'un troisième, élément. Ces matériaux présentent entre autres caractéristiques l'avantage de pouvoir supporter des températures de fonctionnement particulièrement importantes. Le matériau de cette classe le plus utilisé actuellement est le nitrure de gallium, de formule GaN. Il est extrêmement difficile d'obtenir un substrat massif en GaN et on ne peut donc pas dans la pratique utiliser la technique classique qui consiste à faire une croissance homo-épitaxiale sur un substrat de même composition que la couche épitaxiale déposée. On est donc amené à effectuer une croissance hétéro-épitaxiale de GaN sur d'autres substrats, en particulier sur des substrats du type oxyde d'aluminium A1203 ou carbure de silicium SiC. Or on sait que dans la majorité des cas, en particulier dans ceux-ci, les réseaux cristallins du substrat et de la couche epitaxiée ne sont pas adaptés l'un à l'autre; ce qui entraîne lors de la croissance de la couche épitaxiée l'apparition d'un grand nombre de défauts, en particulier des dislocations. Dans le cas de l'utilisation d'un substrat en Al203, la correspondance des réseaux cristallins se fait toutes les six mailles atomiques, ce qui est une valeur relativement satisfaisante. En outre, la surface du substrat se nitrure facilement, entraînant la formation de nitrure d'aluminium AIN, qui est en lui-même un matériau intéressant pour ces applications. Par ailleurs les substrats en A1203 sont disponibles dans le commerce en grande quantité avec une très bonne qualité, un faible coût et un grand diamètre, 3" voire plus. Ces avantages sont partiellement obérés par une très mauvaise conductivité thermique, qui est particulièrement préjudiciable pour les applications de puissance, et un désaccord paramétrique important, de l'ordre de 15%. A l'inverse, le carbure de silicium SiC présente une bonne conductivité thermique et un faible désaccord de maille. Par contre il se forme un nitrure amorphe à la surface d'un tel substrat lorsqu'on l'expose à un flux d'azote réactif lors de l'initialisation de la croissance épitaxiale. Ce nitrure gène considérablement la maîtrise de cette croissance. En outre la couche épitaxiée ainsi obtenue est alors d'une qualité nettement inférieure à celle qui serait obtenue sur un substrat en A1203, ce qui contrebalance en grande partie les avantages exposés ci-dessus. On sait par ailleurs que l'utilisation d'un substrat en silicium pur apporte les mêmes problèmes. Enfin dans le cas de SiC le problème le plus important entraîné par l'utilisation de ce composé réside dans les difficultés de fabrication d'un tel substrat, qui limitent à ce jour leur diamètre à une valeur de 2" et entraînent un coût particulièrement prohibitif. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé de réalisation d'un substrat destiné à faire croître un composé nitruré, principalement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: dépôt d'une première couche mince d'un matériau compliant sur l'une des faces d'un premier substrat apte à faire croître un composé nitruré; dépôt d'une deuxième couche mince du même matériau compliant sur l'une des surfaces d'un deuxième substrat présentant de bonnes caractéristiques thermiques et mécaniques; - collage l'une sur l'autre par attraction Van der Waals de ces premières et deuxièmes couches; - amincissement du premier substrat jusqu'à une épaisseur minimale permettant une bonne croissance épitaxiale avec un minimum de défauts. Selon une autre caractéristique, préalablement au dépôt de la première couche mince on procède à une implantation d'hydrogène à forte dose à une faible profondeur de la surface du première substrat (101) sur laquelle sera déposé la première couche mince, et I'amincissement du premier substrat s'effectue par un recuit thermique permettant de fracturer le premier substrat au niveau de l'implantation d'hydrogène. Selon une autre caractéristique, après l'amincissement du premier substrat on fait croître sur la surface de celui-ci une couche de composé nitruré jusqu'à ce que celle-ci atteigne une épaisseur suffisante pour présenter des caractéristiques mécaniques lui permettant d'être manipulé seul, et on élimine ensuite au moins le deuxième substrat. Selon une autre caractéristique, on élimine également la première et la deuxième couche mince et le premier substrat. Selon une autre caractéristique, le premier substrat est formé d'oxyde d'aluminium A1203 Selon une autre caractéristique, les premières et deuxièmes couches minces sont formées d'un matériau sélectionné parmi l'oxyde de silicium SiO2, le nitrure de silicium Si3N4, et le palladium Pd. Selon une autre caractéristique, le deuxième substrat est formé d'un matériau sélectionné parmi le silicium Si, le nitrure d'aluminium AIN, et une céramique. Selon une autre caractéristique, on effectue sur le premier substrat une nitruration amenant à la transformation au moins partielle du matériau A1203 en nitrure d'aluminium AIN. Selon une autre caractéristique, la couche est formée de nitrure de gallium GaN. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1, la coupe d'un substrat en A1203 après une implantation d'hydrogène. - la figure 2, la coupe du substrat de la figure 1 après dépôt d'une couche de SiO2. - la figure 3, le schéma du collage du substrat de la figure 2 sur un autre substrat muni lui-même d'une couche de SiO2; - la figure 4, une coupe du pseudo-substrat obtenu selon la méthode de la figure 3, après amincissement de la couche de A1203; et - la figure 5, une coupe du pseudo-substrat de la figure 4 après croissance épitaxiale d'une couche de GaN. L'invention propose de partir d'un substrat 101 de A1203 dans lequel, dans un premier mode de réalisation, on implante une couche d'hydrogène à forte dose 102 à une faible profondeur de la surface, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Cette implantation se fera de manière connue par implantation ionique. On recouvre ensuite la surface de ce substrat, du côté ou l'implantation hydrogène a été faite, avec une couche de silice SiO2 103. Ce dépôt s'effectue de manière connue, par exemple par pulvérisation cathodique. L'épaisseur de la couche de SiO2 est de l'ordre de 100 nanomètres. On prépare ensuite un substrat hôte 104 en silicium dont on recouvre l'une des faces d'une couche de silice SiO2 105 semblable à la couche 103. Compte tenu de la composition de ce substrat, cette couche de SiO2 peut être obtenue simplement par oxydation superficielle. Dans le cas de l'utilisation d'un substrat fait d'un autre matériau, le dépôt de la couche de SiO2 105 pourra se faire de la même manière que pour la couche 103. On procède ensuite à l'assemblage du substrat en A1203 avec le substrat hôte par collage des deux couches 103 et 105 de SiO2 I'une contre l'autre, comme représenté sur la figure 3. De manière connue dans la technique des semi-conducteurs, ce terme collage n'implique pas l'utilisation d'une colle mais consiste à polir très finement les surfaces de ces deux couches, par un polissage électrochimique par exemple, et à les plaquer l'une sur l'autre en utilisant pour les maintenir en place les forces de Van der Waals qui s'exercent entre les atomes de deux surfaces mises en regard. On obtient ainsi la structure en sandwich représenté sur le bas de la figure 3. La dernière étape dans la fabrication du pseudo-substrat (pseudo parce que formé de plusieurs couches) consiste à amincir le plus possible la couche 101 en A1203, de façon à diminuer au maximum sa résistance thermique tout en gardant une surface présentant les qualités nécessaires pour la pousse epitaxiale des composés nitrurés désirés. Pour cela, dans cet exemple de réalisation on procède à un recuit à une temperature modérée du sandwich. Ce recuit ménagé provoque lo simplement la fracture de la couche 101 au niveau de la couche 102 correspondant à l'implantation d'hydrogène. On peut ainsi éliminer facilement la plus grande partie de cette couche en n'en gardant que l'épaisseur strictement nécessaire au dépôt épitaxial, pour obtenir le pseudo-substrat représenté en figure 4. Une dernière étape consiste à polir la surface extérieure de la partie restante de la couche 101, de manière à obtenir un bon état de surface et à éliminer la couche hydrogénée 102. Ce polissage, qui s'effectue par des procédés connus, du type par exemple électrochimique, laisse subsister une couche finale polie d' A1203 d'une épaisseur d'environ 5 nanomètres. On obtient ainsi un pseudo-substrat dont la couche supérieure en A1203 permet la croissance épitaxiale des composés nitrurés, en particulier le nitrure de gallium GaN, dans des conditions particulièrement satisfaisantes. On obtient après ce dépôt un pseudo substrat épitaxié tel que représenté sur la figure 5, qui comporte une couche de GaN permettant de réaliser, par les moyens connus dans l'art, des dispositifs semi-conducteurs, plus particulièrement des dispositifs optoélectroniques. La rigidité mécanique de ce pseudo-substrat est donnée par la couche 104 en silicium, qui apporte en outre les avantages propres à ce matériau, essentiellement une très bonne conductivité thermique. Les deux couches de silicium 103 et 105, qui on servi à coller l'une contre l'autre les couches de A1203 et de Si, présentent en outre l'avantage d'augmenter l'isolation électrique de la couche de GaN 106 par rapport à la couche 104 de Si, et surtout celui d'apporter un effet compliant entre la couche 101 de A1203 et la couche 104 de Si, qui permet d'obtenir un découplage mécanique important entre ces deux couches. Ce découplage permet à la couche 101 en A1203 de se prêter beaucoup plus facilement aux sollicitations mécaniques dûes à l'épitaxie, ce qui entraîne une réduction particulièrement importante du taux de dislocations constaté dans la couche épitaxiale. Ce procédé selon l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. On citera notamment les suivantes: - La nitruration de la surface de la couche d' A1203 101 citée plus haut, peut être délibérément poursuivie jusqu'à la transformation totale du matériau de cette couche en nitrure d'aluminium AIN, ce qui favorise l'obtention de certaines caractéristiques pour la couche en nitrure qui sera épitaxiée par la suite sur cette surface. - Le matériau des couches 103 et 105 peut être différent du SiO2 et être constitué par exemple de nitrure de silicium Si3N4 ou de palladium Pd. L' essentiel est que le matériau choisi présente les qualités de complience explicitées plus haut. - L'épaisseur de la couche épitaxié 106, qui est typiquement de l'ordre du micromètre dans les techniques d'épitaxies généralement utilisées, peut être augmentée jusqu'à des dimensions beaucoup plus importantes, de l'ordre de 300 micromètres, en utilisant des techniques particulières, telles que celles connues sous le sigle VPE. Dans ces conditions cette couche présentera en elle-même une résistance mécanique suffisante pour être utilisée seule. Pour obtenir alors un substrat massif en GaN, on éliminera le substrat haut ainsi qu'éventuellement les couches 103 et 105 en SiO2 et la couche 101 en A1203, en utilisant par exemple une technique d'amincissement mécano- chimique. On diminuera ainsi dans une proportion assez importante la résistance thermique du substrat, et lorsque l'on aura poussé l'amincissement jusqu'à éliminer les couches superficielles situées à I'interface entre la couche 101 et la couche 106 on obtiendra un substrat qui présente un taux particulièrement faible de dislocations et de défauts. - Une autre variante consiste à se passer de la couche 102 obtenue par implantation d'hydrogène et à obtenir l'amincissement de la couche 101 à la valeur souhaitée en utilisant une technique d'amincissement connue dans l'art, du type mécano-chimique par exemple. - Enfin le substrat hôte peut être réalisé en d'autres matériaux que le silicium, pourvu qu'il présente les caractéristiques, de conductivité thermique entre autres, nécessaires. On peut ainsi utiliser du nitrure d'aluminium AIN ou une céramique adéquate. REVENDICATIONS 1 - Procédé de réalisation d'un substrat destiné à faire croître un composé nitruré, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: dépôt d'une première couche mince (103) d'un matériau compliant sur l'une des faces d'un premier substrat (101) apte à faire croître un composé nitruré; - dépôt d'une deuxième couche mince (103) du même matériau compliant sur l'une des surfaces d'un deuxième substrat présentant de bonnes caractéristiques thermiques et mécaniques; - collage l'une sur l'autre par attraction Van der Waals de ces premières et deuxièmes couches (103,105); - amincissement du premier substrat (101) jusqu'à une épaisseur minimale permettant une bonne croissance épitaxiale avec un minimum de défauts. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que préalablement au dépôt de la première couche mince (103) on procède à une implantation (102) d'hydrogène à forte dose à une faible profondeur de la surface du première substrat (101) sur laquelle sera déposé la première couche mince, et en ce que l'amincissement du premier substrat s'effectue par un recuit thermique permettant de fracturer le premier substrat (101) au niveau de l'implantation d'hydrogène. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'après l'amincissement du premier substrat (101) on fait croître sur la surface de celui-ci une couche de composé nitruré jusqu'à ce que celle-ci atteigne une épaisseur suffisante pour présenter des caractéristiques mécaniques lui permettant d'être manipulé seul, et en ce que l'on élimine ensuite au moins le deuxième substrat. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on élimine également la première et la deuxième couche mince (103,105) et le premier substrat (101). - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier substrat (101) est formé d'oxyde d'aluminium A1203 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premières et deuxièmes couches minces (103, 105) sont formées d'un matériau sélectionné parmi l'oxyde de silicium SiO2, le nitrure de silicium Si3N4, et le palladium Pd. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième substrat (104) est formé d'un matériau sélectionné parmi le silicium Si, le nitrure d'aluminium AIN, et une céramique. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on effectue sur le premier substrat (101) une nitruration amenant à la transformation au moins partielle du matériau A1203 en nitrure d'aluminium AIN. 9 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche (106) est formée de nitrure de gallium GaN.