Brevet FR2883418A1 — publié le 20060922

Procédé de fabrication d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée et diode obtenue par un tel procédé. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée comportant un substrat semi-conducteur dopé par un premier dopant. L'invention concerne également une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée obtenue par un tel procédé. État de la technique Le silicium étant le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans l'industrie microélectronique, la réalisation de circuits intégrés optoélectroniques, avec un substrat en silicium, serait particulièrement intéressante, notamment pour réduire les coûts de fabrication de tels circuits intégrés. Cela permettrait également d'exploiter les connaissances technologiques issues de la technologie du silicium dans les applications optoélectroniques. Cependant, le gap indirect d'énergie du silicium monocristallin massif ne permet pas à celui-ci d'être un émetteur de lumière efficace et l'empêche d'être utilisé comme source de lumière intégrée, notamment, comme milieu actif d'un laser. Différentes approches telles que l'utilisation de nanocristaux de silicium, de super-réseaux Si/SiO2, de silicium poreux ou de silicium dopé à l'erbium ont été envisagées pour améliorer les propriétés de luminescence du silicium. De l'électroluminescence efficace au gap du silicium a pu être observée sur des diodes à base de silicium utilisant de telles approches mais les rendements de luminescence restent faibles. De plus, aucune de ces approches n'a permis d'utiliser l'injection de courant pour réaliser l'inversion de population nécessaire à l'obtention d'émission stimulée dans le silicium. Une autre approche proposée par M.J. Chen et al., dans l'article "Stimulated emission in a nanostructured silicon pn junction diode using current injection" (Applied Physics Letters, 2004, Vol 84, N 12, pages 2163-2165), consiste à io utiliser une diode à base de silicium massif et comportant une pluralité de jonctions PN ayant des dimensions de l'ordre du nanomètre. Une telle diode est appelée diode à jonction PN nanostructurée. M.J. Chen et al. ont, ainsi, réalisé une diode à jonction PN nanostructurée par diffusion non uniforme de dopant de type P dans un substrat en silicium dopé N. Une solution contenant des particules de bore, des nanoparticules d'oxyde de silicium et un solvant, est déposée, à la tournette, à la surface libre d'un substrat en silicium dopé par un dopant de type N. Une telle technique de dépôt est également connue sous le nom anglo-saxon de "spin-on dopant". Une certaine quantité de bore et d'oxyde de silicium s'adsorbe, alors, à la surface du substrat. Un recuit à environ 1000 C est, ensuite réalisé de manière à permettre, par diffusion thermique, un dopage localisé en bore, depuis la surface libre du substrat jusqu'à quelques nanomètres de profondeur. Le dopage est, en effet, localisé, car la présence des nanoparticules de SiO2, à la surface libre du substrat, bloque localement la diffusion thermique du bore et empêche la diffusion thermique uniforme du bore. Ceci provoque la formation d'une pluralité de régions de silicium dopées P+, de dimension nanométrique, dans le substrat en silicium dopé N et donc la formation de jonctions PN nanométriques. Un guide d'onde est ensuite gravé dans le substrat et des contacts électriques sont disposés à la périphérie du guide d'onde pour assurer l'injection de courant à travers les différentes jonctions PN. M. J. Chen et al. ont, ainsi, réussi à mesurer de l'émission stimulée, à des énergies proches du gap du silicium, dans une telle diode à jonction PN nanostructurée, par injection de courant. Bien qu'une telle diode à jonction PN nanostructurée, à base de silicium puisse être utilisée comme source de lumière intégrée, son procédé de fabrication o reste, cependant, difficile à mettre en oeuvre. La diffusion non uniforme du dopant à la surface du substrat est, également, difficile à maîtriser, ce qui rend la formation et la taille des régions dopée P+, donc des jonctions PN, difficilement contrôlables. En effet, un tel procédé peut engendrer un gradient de concentration du dopant P+ dû à la diffusion et donc influencer le caractère abrupt des jonctions PN. Par ailleurs, l'étape de diffusion non uniforme et l'étape de recuit sont généralement réalisées dans des enceintes séparées, ce qui peut poser des problèmes de contamination de la diode lors du passage d'une enceinte à l'autre. De plus, l'étape de recuit, réalisée à environ 1000 C, pendant, en général, 30 minutes, nécessite un budget thermique élevé. Objet de l'invention L'invention a pour but un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée, remédiant aux inconvénients de l'art antérieur. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé comporte successivement au moins: une étape de dépôt, à la surface d'une couche mince diélectrique recouvrant ledit substrat, d'un film mince amorphe constitué par un matériau semi-conducteur dopé par un second dopant d'un type opposé à celui du premier dopant, une étape de traitement thermique destinée à former, dans la couche mince diélectrique et à partir du film mince amorphe, une pluralité d'îlots en matériau semi-conducteur dopé par le second dopant, de dimension nanométrique et en épitaxie avec le substrat, pour former une pluralité de jonctions PN de dimension nanométrique et une étape de formation, à la surface de la couche mince diélectrique, d'une couche mince supplémentaire, par croissance par épitaxie à partir des îlots disposés dans la couche mince diélectrique. Selon un développement de l'invention, le dépôt du film mince amorphe est réalisé par épitaxie par jets moléculaires. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'étape de traitement thermique comporte une première phase destinée à former, sur la couche mince diélectrique et à partir du film mince amorphe, une pluralité d'amas polycristrallins de dimension nanométrique, suivie d'une seconde phase destinée à transformer la pluralité d'amas polycristallins en la pluralité d'îlots disposés dans la couche mince diélectrique et en épitaxie avec le substrat. Selon un mode particulier de l'invention, la première phase de l'étape de traitement thermique est réalisée par une montée en température jusqu'à un premier seuil de température de l'ordre de 350 C, suivie d'un maintien audit premier seuil pendant une première durée prédéterminée. La seconde phase de l'étape de traitement thermique est, de préférence, réalisée par une montée progressive en température jusqu'à un second seuil de température plus élevé que le premier seuil, suivie d'un maintien audit second seuil pendant une second durée prédéterminée. L'invention a également pour but une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée, facile à réaliser et fiable. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait qu'elle comporte au moins: un substrat semi-conducteur dopé par un premier dopant et recouvert par une couche mince diélectrique et une pluralité d'îlots de dimension nanométrique, en un matériau semi-conducteur dopé par un second dopant de type opposé à celui du premier dopant et disposés dans la couche mince diélectrique, chaque îlot étant en épitaxie avec ledit substrat et avec une couche mince supplémentaire recouvrant la couche mince diélectrique. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1 à 9 représentent, schématiquement, en coupe différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée, selon l'invention. Les figures 10 et 11 représentent, respectivement, en coupe des première et seconde variantes d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation Selon un mode particulier de réalisation représenté aux figures 1 à 9, une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée est réalisée à partir d'un substrat 1 semi-conducteur dopé par un premier dopant et recouvert d'une couche mince diélectrique 2. Le substrat est, par exemple, un substrat en silicium massif dopé par un dopant de type N tel que l'arsenic ou le phosphore. La couche mince diélectrique 2 est, de préférence, constituée par un composé décomposable thermiquement et, plus particulièrement, sous l'effet d'une température comprise entre 720 C et 750 C. Le composé décomposable est, par exemple, choisi parmi l'oxyde de silicium et le nitrure de silicium. La couche mince diélectrique 2 a, de préférence, une épaisseur de l'ordre de quelques nanomètres. L'épaisseur de la couche mince diélectrique 2 est, par exemple, de 2 nm. Comme représenté à la figure 1, un film mince amorphe 3 est déposé, à la surface de la couche mince diélectrique 2, à une température, de préférence, inférieure ou égale à 250 C. Le film mince amorphe 3 est constitué par un matériau semi-conducteur amorphe dopé par un second dopant d'un type opposé à celui du premier dopant et son épaisseur est, de préférence, de l'ordre de quelques nanomètres, par exemple de 1 à 2 nm. Ainsi, pour un substrat dopé par un dopant de type N, le film mince amorphe est dopé par un dopant de type P et inversement. Avec un substrat en silicium dopé de type N, le film mince amorphe 3 est, par exemple, en silicium dopé par du bore. Le film mince amorphe 3 peut être déposé par tout type de procédé connu. Il est, par exemple, déposé par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM), également connue sous le sigle MBE ("Molecular Beam Epitaxy"). Ainsi, pour déposer un film mince amorphe en silicium dopé par du bore, du silicium et du bore sont déposés à la surface de la couche mince diélectrique, par co-évaporation sous ultravide, respectivement au moyen d'un canon à électron et d'une cellule d'évaporation haute température de type Knudsen. L'empilement constitué par le substrat 1, la couche mince diélectrique 2 et le io film mince amorphe 3 subit ensuite une étape de traitement thermique destinée à former, dans la couche mince diélectrique 2, une pluralité d'îlots en matériau semi-conducteur dopé par le second dopant, de dimension nanométrique et en épitaxie avec le substrat, ce qui permet de former une pluralité de jonctions PN de dimension nanométrique. Les îlots en épitaxie avec le substrat 1 sont, ainsi, répartis dans la couche mince diélectrique 2. Comme représenté aux figures 2 à 4, l'étape de traitement thermique comporte, de préférence, une première phase destinée à former, sur la couche mince diélectrique 2 et à partir du film mince amorphe 3, une pluralité d'amas polycristallins 4 de dimension nano-métrique, également appelés boîtes polycristallines ou amas polycristallins disposés sur la couche mince diélectrique 2. Les amas polycristallins 4 sont formés par cristallisation sous forme d'amas ou d'îlots, du film mince amorphe 3, ils sont répartis sur la couche mince diélectrique 2 et la plupart d'entre eux sont isolés les uns des autres. De préférence, la première phase du traitement thermique, permettant la formation des amas polycrystallins 4 sur la couche mince diélectrique 2, est réalisée par une montée en température jusqu'à un premier seuil de l'ordre de 350 C, suivie d'un maintien audit premier seuil pendant une première durée prédéterminée, par exemple de l'ordre d'une quinzaine de minutes. Ainsi, comme illustré à la figure 2, cette première phase de l'étape de traitement thermique permet de cristalliser, par recuit, le matériau semiconducteur dopé du film mince amorphe 3. Cette cristallisation est accompagnée par la transformation du film mince amorphe 3 continu en une pluralité d'amas polycristallins 4, discontinus et disposés à la surface de la couche mince diélectrique 2. Lesdits amas polycristallins sont également appelés des éléments ou des îlots polycristallins. Les amas 4 sont, ainsi, constitués par le matériau semi-conducteur dopé mais, contrairement au filrn mince amorphe 3, ils sont polycristallins et discontinus. La première phase de l'étape de traitement thermique est, de préférence, suivie d'une seconde phase comprenant une montée progressive en température jusqu'à un second seuil plus élevé que celui de la première phase suivie d'un maintien audit second seuil pendant une second durée prédéterminée, par exemple de l'ordre de 5 à 10 minutes. La seconde durée prédéterminée dépend notamment de l'épaisseur de la couche mince diélectrique 2. Le second seuil de température est, de préférence, compris entre 720 C et 750 C. La seconde phase induit, comme illustré aux figures 3 et 4, la transformation progressive des amas polycristallins 4 en îlots 5 répartis dans la couche mince diélectrique 2 et en épitaxie avec le substrat 1. La formation des îlots 5 en épitaxie avec le substrat 1 est réalisée par décomposition thermique des régions de la couche mince diélectrique 2 disposées sous les amas ou éléments polycristallins 4 et par épitaxie desdits amas avec le substrat 1. Les amas polycristallins 4 disposés à la surface de la couche mince diélectrique 2 disparaissent, alors, progressivement au profit des îlots 5 en épitaxie avec le substrat 1 et disposés dans la couche mince diélectrique 2. A la figure 4, les îlots 5 disposés dans la couche mince diélectrique 2 sont représentés, schématiquement et en coupe, sous forme de trapèzes tandis qu'aux figures 2 et 3, les amas ou éléments polycristallins 4 disposés sur la couche mince diélectrique 2 sont représentés, schématiquement et en coupe, sous forme de cercles. La distance entre les deux plans parallèles de chaque îlot 5 représenté à la figure 4, est, plus particulièrement, égale à l'épaisseur de la couche mince diélectrique 2, cette distance étant également appelée hauteur. De cette manière, un des deux plans parallèles de chaque îlot forme la zone de o contact avec le substrat 1 tandis que l'autre plan est compris dans le plan de la surface libre de la couche mince diélectrique 2. Les phases du traitement thermique, illustrées aux figures 2 à 4, sont analogues à celles décrites dans l'article "Grazing incidence x-ray diffraction and atomic force microscopy investigations of germanium dots grown on silicon (001) by successive depositions of germanium through a thin silicon oxyde layer" de M. Derivaz et al. (Applied Physics Letters, 2004, Vol 84, N 17. pages 3295-3297), décrivant la formation par croissance par hétéroépitaxie de boîtes ou de ponts quantiques en germanium sur un substrat en silicium. L'étape de traitement thermique est, ensuite, suivie d'une étape de formation, à la surface de la couche mince diélectrique 2, d'une couche mince supplémentaire 6 continue, par croissance par épitaxie à partir des îlots 5. Ainsi, l'étape de croissance par épitaxie à partir des îlots 5 permet tout d'abord de former, à la surface de la couche mince diélectrique 2, des amas supplémentaires en épitaxie avec les îlots 5, les amas supplémentaires poursuivant leur croissance jusqu'à ce qu'ils entrent en contact les uns avec les autres et forment une couche mince continue. Plus particulièrement, cela permet d'obtenir une couche mince supplémentaire 6, par exemple constituée io par le matériau semiconducteur dopé par le second dopant et constituant les îlots 5. La couche mince supplémentaire pourrait également être constituée par un matériau semi-conducteur non dopé. Les figures 5 à 7 illustrent la formation progressive de ladite couche mince supplémentaire 6, par reprise de la croissance par épitaxie des îlots 5. Ainsi, à la figure 5, des régions 7, discontinues, en matériau semi-conducteur, éventuellement dopé et cristallisé, et formant les amas supplémentaires croissent, à la surface de la couche mince diélectrique 2, au-dessus des zones io occupées par les îlots 5. Puis, la croissance des régions 7 se poursuit (figure 6 et 7) de manière à former une couche continue constituant la couche mince supplémentaire 6. L'épaisseur de la couche mince supplémentaire 6 dépend de la densité des îlots 5 dans la couche diélectrique 2 ainsi que de leur taille. La densité des îlots 5 dans la couche diélectrique peut, par exemple, être contrôlée en utilisant des agents de surface ou surfactants tels que de l'azote, de l'hydrogène...De plus, la taille des îlots 5 dans la couche mince diélectrique 2 peut être contrôlée par la quantité de silicium déposée, conjointement aux durées prédéterminées des phases du traitement thermique. La taille et la position des îlots 5 dans la couche mince diélectrique 2 peuvent également être contrôlées par des méthodes d'affaiblissement local de la couche mince diélectrique 2, au moyen par exemple d'une pointe STM ("Scanning Tunneling Microscopy" ou Microscopie à Effet Tunnel). De telles méthodes peuvent, par exemple, organiser les îlots 5 au sein de la couche diélectrique 2. Comme illustré aux figures 8 et 9, la fabrication de la diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée peut être achevée en formant un guide d'onde par structuration de la couche mince supplémentaire 6, de la couche mince diélectrique 2 et d'une partie du substrat 1. La structuration peut, par exemple, être réalisée par lithographie optique. Puis, une couche isolante 8, par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium, peut être déposée à la périphérie du guide d'onde. Des première et seconde couches métalliques 9 et 10 formant des prises de contact électrique sont alors déposées, respectivement sur la couche mince supplémentaire 6 et sur la surface libre du substrat 1, de manière à permettre l'injection de porteurs électroniques dans la diode à jonction PN nanostructurée. Un tel procédé de fabrication d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée présente l'avantage d'être facile à mettre en oeuvre, les principales étapes de réalisation, c'est-à-dire jusqu'à la réalisation du guide d'onde peuvent, en effet, être réalisée dans une même enceinte, ce qui évite également d'éventuels problèmes de contamination et d'oxydation des îlots. De plus, le fait de réaliser les jonctions PN par épitaxie, permet d'obtenir une cohérence cristalline entre le substrat 1, les îlots 5 et la couche mince supplémentaire 6, ce qui améliore la fiabilité de la diode électroluminescente et la définition des jonctions PN, ainsi que sa capacité d'intégration dans un autre dispositif. Par ailleurs, la température nécessaire pour réaliser les îlots 5 et donc les jonctions PN est relativement basse par rapport à celle employée dans l'art antérieur. De plus, les jonctions sont le plus souvent isolées entre elles par un matériau diélectrique forçant l'injection des porteurs électroniques à travers ces jonctions PN. Dans une première variante de réalisation représentée à la figure 10, la seconde couche métallique 10 est déposée sur le substrat 1, dans une région disposée à la périphérie du guide d'onde. Dans une seconde variante de réalisation représentée à la figure 11, le substrat 1 en silicium massif est remplacé par un substrat en siliciure sur isolant ou SOI. Ainsi, il comporte un empilement comportant successivement un support 11 en silicium massif, une couche isolante 12 en oxyde de silicium et un film 13 en silicium massif dopé par un dopant, par exemple de type N, si les îlots 5 sont dopés P. Le film 13 est en contact avec les îlots 5 disposés dans la couche mince diélectrique 2. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi, le matériau semi-conducteur formant les îlots 5 et la couche mince supplémentaire 6 peut être en germanium. De plus, le substrat semiconducteur peut être choisi parmi les substrats en silicium, en germanium, en silicium sur isolant (SOI) et en germanium sur isolant. Revendications 1. Procédé de fabrication d'une diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée comportant un substrat (1, 13) semi-conducteur dopé par un premier dopant, procédé caractérisé en ce qu'il comporte successivement au moins: une étape de dépôt, à la surface d'une couche mince diélectrique (2) recouvrant ledit substrat (1, 13), d'un film mince amorphe (3) constitué par un matériau semi-conducteur dopé par un second dopant d'un type opposé à celui du premier dopant, - une étape de traitement thermique destinée à former, dans la couche mince diélectrique (2) et à partir du film mince amorphe (3), une pluralité d'îlots (5) en matériau semi-conducteur dopé par le second dopant, de dimension nanométrique et en épitaxie avec le substrat (1, 13), pour former une pluralité de jonctions PN de dimension nanométrique et une étape de formation, à la surface de la couche mince diélectrique (2), d'une couche mince supplémentaire (6), par croissance par épitaxie à partir des îlots (5) disposés dans la couche mince diélectrique (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt du film mince amorphe (3) est réalisé par épitaxie par jets moléculaires. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche mince supplémentaire (6) est constituée par le matériau semiconducteur constituant la pluralité d'îlots (5) en épitaxie avec le substrat (1, 13). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche mince supplémentaire (6) est dopée par le second dopant. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de traitement thermique comporte une première phase destinée à former, sur la couche mince diélectrique (2) et à partir du film mince amorphe (3), une pluralité d'amas polycristrallins (4) de dimension manométrique suivie d'une seconde phase destinée à transformer la pluralité d'amas polycristallins (4) en la pluralité d'îlots (5) disposés dans la couche mince diélectrique (2) et en épitaxie avec le substrat (1, 13). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première phase de l'étape de traitement thermique est réalisée par une montée en température jusqu'à un premier seuil de température de l'ordre de 350 C, suivie d'un maintien audit premier seuil pendant une première durée prédéterminée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la seconde phase de l'étape de traitement thermique est réalisée par une montée progressive en température jusqu'à un second seuil de température plus élevé que le premier seuil, suivie d'un maintien audit second seuil pendant une second durée prédéterminée. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second seuil de température est compris entre 720 C et 750 C 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche mince diélectrique (2) est constituée par un composé décomposable sous l'effet d'une température comprise entre 720 C et 750 C. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le composé décomposable est choisi parmi l'oxyde de silicium et le nitrure de silicium. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est choisi parmi le silicium et le germanium. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le substrat (1, 13) semi-conducteur est choisi parmi les substrats en silicium, en germanium, en silicium sur isolant et en germanium sur isolant. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche mince supplémentaire (6) est suivie d'une étape de structuration de ladite couche mince supplémentaire (6), de la couche mince diélectrique (2) et d'une partie du substrat (1, 13), pour former au moins un guide d'onde et d'une étape de dépôt d'une couche isolante (8) à la périphérie du guide d'onde. 14. Diode électroluminescente à jonction PN nanostructurée obtenue par un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins: un substrat (1, 13) semiconducteur dopé par un premier dopant et recouvert par une couche mince diélectrique (2) et une pluralité d'îlots (5) de dimension nanométrique, en un matériau semi-conducteur dopé par un second dopant de type opposé à celui du premier dopant et disposés dans la couche mince diélectrique (2), chaque îlot (5) étant en épitaxie avec ledit substrat (1, 13) et avec une couche mince supplémentaire (6) recouvrant la couche mince diélectrique (2).