Brevet FR2925071A1 — publié le 20090619

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT DE NITRURE DE GALLIUM La présente invention concerne de manière générale un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) au moyen duquel un film épais de GaN est obtenu sans incurvation ni fissure qui peuvent survenir dans le processus de croissance. De manière générale, le GaN a une énergie de bande interdite de 3,39 eV, et est un matériau semi-conducteur du type à transition directe, qui est utile pour fabriquer un dispositif émetteur de lumière à courte longueur d'onde ou analogue. Puisqu'un cristal unique de GaN a une pression de vapeur d'azote élevée à un point de fusion, il a besoin d'un état de traitement d'une tempéra- ture élevée supérieure à 1500°C et d'une atmosphère d'azote de 20 000 atm. pour effectuer une croissance de cristaux liquides. Ainsi, il est difficile de parvenir à sa production en masse. Jusqu'à maintenant, un film de GaN était obtenu sur un hétérosubstrat en utilisant un procédé de croissance en phase vapeur, comme un dépôt chimique organométallique en phase vapeur (MOCVD), une épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE), ou analogue. Dans le cas d'un MOCVD, il peut fournir un film haute qualité mais sa vi- tesse de croissance est trop lente, de sorte qu'il est difficile d'obtenir un substrat de GaN avec une épaisseur de dizaines ou centaines de micromètres. Pour la raison ci-dessus, on utilise principalement un procédé de croissance par HVPE pour fabriquer un film épais de GaN. Comme hétérosubstrat pour fabriquer un film de GaN, un substrat de saphir est utilisé le plus couramment. Ceci est dû au fait que le saphir a le même système hexagonal que le GaN, est peu coûteux, et est stable à une température élevée. Cependant, une contrainte est provo- quée à une limite du fait de différences de constante de réseau (environ 13 %) et de coefficient de dilatation thermique (environ 35 %) entre le saphir et le GaN, en générant des défauts et des fissures dans un cristal. Ceci rend difficile de faire croître un film de GaN haute qua- lité, et raccourcit la durée d'utilisation d'un dispositif fabriqué sur le film de GaN. Lorsque le GaN est mis à croître sur un substrat de saphir, comme illustré sur la figure 1, une incurvation survient dans la direction depuis le substrat de saphir 100 vers une couche de GaN 210 du fait d'une différence de coefficient de dilatation thermique entre le substrat de saphir et la couche de GaN. De la même manière, dans le processus de refroidissement après la croissance de la couche de GaN, comme illustré sur la figure 2, une incur- vation survient dans la direction inverse, et une contrainte est appliquée sur la totalité de la couche de GaN. Même après que la couche de GaN ait été séparée du substrat de saphir, la durabilité de la couche autonome de GaN reste faible. Pour empêcher une telle incurvation, on a proposé un procédé dans lequel un substrat de GaAs est utilisé. Le GaAs a un coefficient de dilation thermique moins différent de celui de GaN que le saphir. Cependant, le GaAs est coûteux, et a une faible résistance à la chaleur. En variante, on a proposé un autre procédé pour empêcher une incurvation, dans lequel un masque est formé (par pulvérisation cathodique, réalisation de P-CVD, réalisation de motif de masque, gravure, etc.) entre un substrat de base et une couche de GaN, où une couche d'oxyde destinée à être enrobée est enrobée entre ceux-ci. Cependant, dans ces cas, puisque des processus séparés sont nécessaires, un processus de fabrication de celui-ci devient compliqué, et ainsi le coût et le temps de fabrication augmentent. Par conséquent, pour fabriquer un substrat de GaN ayant une surface importante à un rendement élevé, il y a besoin d'une technologie pour réduite une contrainte qui est transférée du substrat de base à la couche de GaN. La présente invention a été réalisée en gardant à l'esprit les problèmes ci-dessus en rapport avec la technique antérieure. La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) qui est adapté pour fabriquer un substrat de GaN ayant une surface importante, et pour atténuer une contrainte survenant entre un substrat de base et un film épais de GaN pour réduire l'apparition d'une incurvation et de fissures. La présente invention a également pour but de proposer un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) qui n'a pas besoin d'un processus de réalisation de motif de masque ou analogue, en simplifiant ainsi le processus de fabrication, et en réduisant le coût et le temps de fabrication. Pour atteindre les buts ci-dessus, la présente invention propose un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) au moyen duquel un film épais de GaN est obtenu sans incurvation ni fissure qui peuvent survenir durant le processus de croissance. Dans ce but, la présente invention est caractérisée en ce qu'une couche de nitrure destinée à être enrobée, ayant une pluralité de vides, est disposée entre une couche de GaN et un substrat de base. La présente invention fournit un procédé de fa- brication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) comprenant une première étape consistant à préparer un substrat de base, une deuxième étape consistant à faire croître une couche de nitrure destinée à être enrobée sur le substrat de base à une première température, la couche de nitrure destinée à être enrobée ayant une pluralité de parties riches en indium, une troisième étape consistant à faire croître une couche de GaN sur la couche de nitrure destinée à être enrobée, et une étape de formation de vides consistant à appliquer une seconde température, supé- rieure à la première température, à la couche de nitrure destinée à être enrobée, de sorte que la partie riche en indium est métallisée pour former une pluralité de vides dans la couche de nitrure destinée à être enrobée, la première étape, la deuxième étape et la troisième étape étant effectuées dans l'ordre indiqué, et l'étape de formation de vides étant effectuée après la deuxième étape. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on fournit un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN), comprenant les étapes consistant à : préparer un substrat de base, faire croître, sur le substrat de base, une couche de nitrure destinée à être enrobée ayant une pluralité de parties riches en indium à une première température ; et faire croître une couche de GaN sur la couche de nitrure destinée à être enrobée à une deuxième température supérieure à la première température, de manière à métalliser la partie riche en indium pour former une pluralité de vides dans la couche de nitrure destinée à être enrobée. Selon un autre mode de réalisation de la pré- sente invention, on fournit un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN), comprenant les étapes consistant à : préparer un substrat de base, faire croître, sur le substrat de base, une couche de nitrure destinée à être enrobée ayant une pluralité de parties ri- ches en indium à une première température ; métalliser la partie riche en indium à une deuxième température supérieure à la première température pour former une pluralité de vides dans la couche de nitrure destinée à être enrobée ; et faire croître une couche de GaN sur la couche de nitrure destinée à être enrobée. Selon un autre mode de réalisation de la pré-sente invention, on fournit un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) comprenant les étapes consistant à : préparer un substrat de base ; faire croî- tre en alternance et de manière répétée, sur le substrat de base, une couche de nitrure destinée à être enrobée et une couche de GaN destinée à être enrobée à une première température pour former les couches de nitrure destinées à être enrobées ayant une pluralité de parties riches en in- dium ; et faire croître une couche de GaN sur les couches de nitrure destinées à être enrobées à une seconde température supérieure à la première température pour métalliser les parties riches en indium afin de former une pluralité de vides dans les couches de nitrure destinées à être enrobées. Selon un autre mode de réalisation de la pré-sente invention, les couches de nitrure destinées à être enrobées sont multistratifiées d'une manière telle qu'au moins une couche de GaN destinée à être enrobée est inter- posée entre les couches de nitrure destinées à être enrobées, et la au moins une couche de GaN destinée à être en-robée est mise à croître à la première température. Ici, la croissance de la totalité des couches de nitrure destinées à être enrobées peut précéder l'application de la se- conde température à la totalité des couches de nitrure destinées à être enrobées en même temps, de sorte que la totalité des couches de nitrure destinées à être enrobées subissent l'étape de formation de vides en même temps. Au moins une de la pluralité de parties riches en indium formées dans au moins une première des couches de nitrure destinées à être enrobées peut se combiner avec au moins une de la pluralité de parties riches en indium formées dans une autre des couches de nitrure destinées à être enrobées pour former au moins un vide plus grand. La couche de GaN destinée à être enrobée peut être mise à croître à la seconde température, de sorte que chacune des couches de nitrure destinées à être enrobées subit indépendamment l'étape de formation de vides. Selon la présente invention, la couche destinée à être enrobée qui peut fournir la pluralité de vides est disposée entre la couche de GaN et le substrat de base pour atténuer une contrainte provoquée entre la couche de GaN et le substrat de base. Ainsi, il est possible de ré- duire l'apparition d'une incurvation, et de fabriquer avantageusement le substrat de GaN haute qualité sans fis-sure. De plus, puisqu'un matériau à base de nitrure similaire à un film épais de GaN est utilisé en tant que couche destinée à être enrobée, un processus de croissance de la couche de nitrure destinée à être enrobée peut être effectué dans un réacteur de croissance d'une manière in situ pour simplifier le processus de fabrication, en réduisant ainsi avantageusement le coût et le temps de fa-brication. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, vont être compris plus complètement à partir de la description détaillée qui suit, effectuée en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 et 2 sont des vues schématiques illustrant l'incurvation d'une couche de GaN survenant dans un processus de croissance et un processus de refroidissement, respectivement, - les figures 3A à 3C sont des vues de processus illustrant un procédé de fabrication d'un substrat de GaN selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - les figures 4A à 4C sont des vues de processus illustrant un procédé de fabrication d'un substrat de GaN selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, et - les figures 5A et 5B sont des vues de processus illustrant un procédé de fabrication d'un substrat de GaN selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. Une description plus détaillée d'un procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN) selon des modes de réalisation en exemple de la présente in- vention va maintenant être effectuée en se reportant aux dessins annexés. Les figures 3A à 3C sont des vues de processus illustrant un procédé de fabrication d'un substrat de GaN selon un premier mode de réalisation de la présente inven-tion. En se reportant à la figure 3A, un substrat de base 10 pour une croissance de GaN est préparé en premier. Le substrat de base 10 est agencé dans un réacteur de croissance. Le substrat de base 10 peut être réalisé à par-tir d'un matériau ayant une structure cristalline et une constante de réseau identiques à celles du GaN. Selon la structure cristalline du substrat de base, la structure cristalline de la couche de GaN devant être mise à croître sur le substrat de base peut être commandée pour être polaire ou non polaire. La structure cristalline de la couche de GaN peut être placée en une structure polaire et une structure non polaire. La structure polaire comprend un seul type d'élément, c'est-à-dire GaN, sur chaque plan le long d'un axe C. En même temps, la structure non polaire comprend des éléments GaN et N du même nombre sur un plan, et est dans un état électriquement neutre dans son ensemble. On sait que la structure non polaire est avantageuse eu égard à une caractéristique de fonctionnement d'un dispositif émetteur de lumière ou analogue. Comme substrat de base qui peut être utilisé pour la croissance de la couche de GaN afin d'avoir la structure polaire, il y a du saphir de plan c, SrTiO3, ScAlMgO4, LiNbO3 et analogue. Dans le même temps, pour la croissance de la couche de GaN afin d'avoir la structure non polaire, on peut utiliser comme substrat de base un saphir de plan a ou de plan m, LiA1O2, LiGaO2, etc. Ensuite, comme illustré sur la figure 3B, une couche de nitrure destinée à être enrobée 20 est mise à croître sur le substrat de base 10. La couche de nitrure destinée à être enrobée 20 peut avoir une composition de A1,Ga1_yInyN (0 x 1 - y, 0 Le processus de croissance de la couche de nitrure destinée à être enrobée 20 et de la couche de GaN 30 peut être effectué par épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE), dépôt chimique organométallique en phase vapeur (MOCVD), ou épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Les figures 4A à 4C sont des vues de processus illustrant un procédé de fabrication d'un substrat de GaN selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Premièrement, comme illustré sur la figure 4A, une couche de nitrure destinée à être enrobée 20 est mise à croître sur un substrat de base 10 qui est agencé dans un réacteur de croissance pour un processus HVPE, MOCVD ou MBE. La couche de nitrure destinée à être enrobée 20 peut avoir une composition de Al,Gal_yInyN (0 x 1 - y, 0 Ensuite, comme illustré sur la figure 4C, la couche de GaN 30 est mise à croître sur la couche de nitrure destinée à être enrobée 20. D'une manière similaire au premier mode de ré- alisation, plusieurs vides 50 sont également formés dans la couche de nitrure destinée à être enrobée 20, ce qui atténue une contrainte appliquée entre la couche de GaN 30 et le substrat de base 10 pour réduire une incurvation, et fournit en conséquence un substrat de GaN haute qualité sans fissure. Les figures 5A et 5B sont des vues de processus illustrant un procédé de fabrication d'un substrat de GaN selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. Premièrement, comme représenté sur la figure 5A, une première couche de nitrure destinée à être enrobée 60a est mise à croître à une certaine épaisseur sur un substrat de base 10, qui est agencé dans un réacteur de croissance, à une première température. Ainsi, une pluralité de parties riches en indium 80a sont formées dans la première couche de nitrure destinée à être enrobée 60a. Ensuite, une première couche de GaN destinée à être enrobée 70a est mise à croître jusqu'à une certaine épaisseur sur la première couche de nitrure destinée à être enrobée 60a à la première température. Ensuite, une seconde couche de nitrure destinée à être enrobée 60b est formée sur la première couche de GaN destinée à être enrobée. Ensuite, une seconde couche de GaN destinée à être enrobée 70b est formée sur la seconde couche de nitrure destinée à être enrobée 60b. De la même manière, les couches de nitrure destinées à être enrobées 60a, 60b et 60c et les couches de GaN destinées à être enrobées 70a, 70b sont formées en alternance et de manière répétée pour former ainsi une structure multicouche comprenant les couches de nitrure destinées à être enrobées 60a, 60b et 60c. Ici, puisque les couches de nitrure destinées à être enrobées 60a, 60b et 60c et les couches de GaN desti- nées à être enrobées 70a et 70b sont toutes mises à croître à la première température, les parties riches en indium 80a, 80b et 80c restent toujours dans les couches de nitrure destinées à être enrobées 60a, 60b et 60c. Après la croissance complète de la structure multicouche, comme illustré sur la figure 5B, la couche de GaN 30 est mise à croître sur la structure multicouche à une seconde température. Ici, puisque la seconde température est supérieure à la première température de 100°C ou plus, les éléments d'indium dans les parties riches en indium 80a, 80b et 80c formées dans la couche de nitrure destinée à être enrobée 60a, 60b et 60c sont métallisés au moyen d'une température élevée, en formant ainsi la pluralité de vides. Ici, lorsque la température augmente, des éléments d'indium dans les parties riches en indium 80a, 80b et 80c formées dans les différentes couches de nitrure destinées à être enrobées sont combinés plus facilement ensemble à travers les couches de GaN destinées à être en- robées pour former ainsi des vides beaucoup plus grands. Ainsi, la dimension des vides peut être régulée selon le nombre de couches de nitrure destinées à être en-robées, de sorte que le degré d'incurvation de la couche de GaN peut être régulé. En variante, la structure multicouche peut être formée de la manière suivante. Après la croissance de la première couche de nitrure destinée à être enrobée 60a à la première température, la première couche de GaN destinée à être enrobée 70a est mise à croître à une certaine épaisseur sur la première couche de nitrure destinée à être enrobée 60a à la seconde température supérieure à la première température. Des éléments d'indium dans les parties riches en indium 80a formées dans la première couche de nitrure destinée à être enrobée 60a sont métallisés au moyen d'une température élevée, en formant ainsi la pluralité de vides. En outre, la seconde couche de nitrure destinée à être enrobée est mise à croître à la première température, et ensuite la seconde couche de GaN destinée à être enrobée 70b est formée sur la seconde couche de nitrure destinée à être enrobée à la seconde température. Une pluralité de seconds vides sont formés dans la seconde couche de nitrure destinée à être enrobée 60b. De la même manière, les couches de nitrure des- tinées à être enrobées 60a, 60b et 60c et les couches de GaN destinées à être enrobées 70a et 70b sont formées séquentiellement et de manière répétée, et la pluralité de vides sont formés dans les couches de nitrure destinées à être enrobées 60a, 60b et 60c. Les premières températures qui sont appliquées aux couches de nitrure destinées à être enrobées peuvent être identiques ou différentes les unes des autres. De la même manière, les secondes températures qui sont appliquées aux couches de GaN destinées à être enrobées peuvent être identiques ou différentes les unes des autres. Bien qu'un mode préféré de réalisation de la présente invention ait été décrit dans des buts d'illustration, l'homme du métier appréciera que de nombreuses modifications, ajouts et substitutions soient possibles, sans sortir de la portée et de l'esprit de la présente invention tels que décrits dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un substrat de nitrure de gallium (GaN), comportant : une première étape consistant à préparer un substrat de base (10), une deuxième étape consistant à faire croître une couche de nitrure (20 ; 60a) destinée à être enrobée sur le substrat de base (10) à une première température, la couche de nitrure destinée à être enrobée (20 ; 60a) ayant une pluralité de parties riches en indium (40 ; 80a), une troisième étape consistant à faire croître une couche de GaN (30 ; 70a) sur la couche de nitrure destinée à être enrobée (20 ; 60a), et une étape de formation de vides consistant à appliquer une seconde température, supérieure à la première température, à la couche de nitrure destinée à être enrobée (20 ; 60a), de sorte que la partie riche en indium (40 ; 80a) est métallisée pour former une pluralité de vi- des (50) dans la couche de nitrure destinée à être enrobée (20 ; 60a), caractérisé en ce que la première étape, la deuxième étape et la troisième étape sont effectuées dans l'ordre indiqué, et l'étape de formation de vides est ef- fectuée après la deuxième étape. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de formation de vides est effectuée après la deuxième étape et avant la troisième étape. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de GaN (30 ; 70a) est mise à croître à la deuxième température, de sorte que la troisième étape et l'étape de formation de vides sont effectuées en même temps. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième étape, la troisième étape et l'étapede formation de vides sont effectuées dans un réacteur de croissance d'une manière in situ. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de nitrure destinée à être enrobée (20 ; 60a) est constituée de Al,Gal_yInyN (0 x 1 - y, 0 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de nitrure destinée à être enrobée (20 ; 60a) est constituée de AlGalnN ou InGaN. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première température est inférieure à la deuxième température de 100°C ou plus. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première température est dans une plage de 500°C à 950°C. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité de vides (50) sont répartis de manière non uniforme. 10. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la pluralité de vides (50) ont des dimensions différentes. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) sont multistratifiées d'une manière telle qu'au moins une couche de GaN destinée à être enrobée (70a, 70b, 70c) est interposée entre les couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la au moins une couche de GaN destinée à être enrobée (70a, 70b, 70c) est mise à croître à la première température, et la croissance de toutes les couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) précède l'application de la seconde température à la totalité des couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) enmême temps, de sorte que toutes les couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) subissent l'étape de formation de vides en même temps. 13. Procédé selon la revendication 12, caracté- risé en ce que la couche de GaN (70a, 70b, 70c) est mise à croître à la deuxième température, de sorte que la troisième étape et l'étape de formation de vides sont effectuées en même temps. 14. Procédé selon la revendication 13, caracté- risé en ce qu'au moins une de la pluralité de parties riches en indium (80a, 80b, 80c) formées dans au moins une des couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) se combine avec au moins une de la pluralité de parties riches en indium (80a, 80b, 80c) formées dans une autre des couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) pour former au moins un vide plus grand. 15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la couche de GaN destinée à être enrobée (70a, 70b, 70c) est mise à croître à la seconde tempéra- ture, de sorte que chacune des couches de nitrure destinées à être enrobées (60a, 60b, 60c) subit indépendamment l'étape de formation de vides.