Brevet FR3028670A1 — publié le 20160520

STRUCTURE SEMI-CONDUCTRICE A COUCHE DE SEMI-CONDUCTEUR DU GROUPE III-V OU II-VI COMPRENANT UNE STRUCTURE CRISTALLINE A MAILLES CUBIQUES OU HEXAGONALES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne une structure semi-conductrice comportant une couche de semi-conducteur du groupe III-V ou II-VI de structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales et comprenant un paramètre de maille, ou paramètre cristallin, différent de celui du matériau du substrat sur lequel est formé cette couche, ainsi qu'un procédé de réalisation d'une telle structure semi-conductrice. L'invention porte également sur un ou plusieurs dispositifs semi-conducteurs réalisés à partir d'une telle structure semi-conductrice, comme par exemple des transistors tels que des transistors de type HEMT (« High Electron Mobility Transistor », ou transistor à haute mobilité électronique) ou des diodes électroluminescentes comprenant par exemple un ou plusieurs puits quantiques en semi-conducteur. Parmi les différents semi-conducteurs existants, les semi-conducteurs du groupe III-V ou II-VI de structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales, et particulièrement le GaN, sont intéressants pour réaliser des dispositifs électroniques de grande qualité. Pour obtenir du GaN à un coût raisonnable, il est possible de réaliser une croissance de GaN par hétéro-épitaxie sur un substrat de nature différente tel qu'un substrat de silicium ou de saphir. Ces matériaux tels que le silicium et le saphir comportent toutefois des paramètres de maille et des coefficients de dilatation thermique (« coefficient of thermal expansion» en anglais, ou CTE) différents de ceux du GaN. Ainsi, une croissance de GaN par épitaxie directement sur un substrat de silicium ou de saphir génère d'importants défauts cristallins dans le GaN tels que des dislocations. Pour éviter l'apparition de ces défauts lors d'une croissance de GaN, il est nécessaire de faire croître au préalable sur le substrat une couche tampon sur laquelle 3028670 2 le GaN est ensuite réalisé, cette couche tampon servant de couche de nucléation pour le GaN et permettant de modifier la contrainte dans le GaN. Une telle couche tampon correspond par exemple à une couche d'AIN permettant de réduire la différence entre le paramètre de maille du GaN et celui du matériau du substrat. Cependant, avec une 5 simple couche tampon d'AIN, l'épaisseur de GaN de bonne qualité pouvant être obtenue est très limitée. Pour réaliser une croissance d'une couche épaisse de GaN de bonne qualité sur du silicium, il est important que le GaN ne soit pas directement en contact avec le silicium et que le GaN soit formé avec une contrainte compressive de sorte que 10 lors d'un refroidissement ultérieur à l'épitaxie du GaN, la couche de GaN ne se relaxe pas et ne se fissure pas à cause de l'apparition de dislocations. Etant donné que les dislocations dans les couches permettent une certaine relaxation, une diminution de la densité de dislocations dans la couche de GaN permet de la conserver en compression plus longtemps. De même, si des couches sont successivement réalisées par croissance et 15 permettent de mettre le GaN en compression, cela provoque une remise à zéro des états de contrainte dans le GaN. Le document US 2002/0074552 Al décrit la réalisation d'une croissance de GaN sur un substrat de silicium via l'utilisation d'une structure tampon comprenant une première couche d'AIN et une couche d'AIGaN dont le taux de gallium augmente 20 graduellement avec son épaisseur, de manière continue ou par palliés. Une telle couche tampon d'AIGaN dont la composition de gallium varie avec son épaisseur permet de mettre en compression le GaN. Toutefois, la réduction du nombre de dislocations dans le GaN formé sur une telle couche tampon reste insuffisante, et la tenue en tension pouvant être obtenue avec un tel matériau n'est pas suffisante non plus. 25 II est également décrit dans le document US 2002/0074552 Al, ainsi que dans le document US 2012/0223328 Al, l'utilisation d'une structure tampon formée d'une alternance de couches d'AIGaN dont le taux de gallium est différent d'une couche à l'autre. Une telle structure tampon est appelée super-réseau (« superlattice » en anglais). L'objectif de cette structure est de faire croître une couche relaxée avec un faible paramètre de maille (par exemple de l'AIN) sur une épaisseur de quelques nanomètres, 3028670 3 puis de réaliser une couche en compression sur une épaisseur de plusieurs dizaines de nanomètres avec un paramètre de maille plus grand. Un tel super-réseau permet d'obtenir une meilleure tenue en tension pour une couche résistive, mais ne permet pas de réduire suffisamment le taux de 5 dislocations dans la couche finale de GaN. Les problèmes exposés ci-dessus pour le GaN se retrouvent également lors de la croissance d'autres semi-conducteurs du groupe III-V ou II-VI et comprenant une structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales, sur un substrat dont le matériau présente un paramètre de maille différent de celui du semi-conducteur formé 10 par croissance. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de proposer une structure semi- conductrice comportant une couche de semi-conducteur du groupe III-V ou II-VI et comprenant une structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales, sur un substrat 15 comprenant un matériau présentant un paramètre de maille différent de celui du semi- conducteur, et dont le compromis qualité du semi-conducteur / compression / tenue en tension soit meilleur que celui pouvant être obtenu avec les structures semi-conductrices de l'art antérieur. Pour cela, la présente invention propose une structure semi-conductrice 20 comportant au moins : un substrat, une première couche de semi-conducteur du groupe III-V ou II-VI et comprenant une structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales, disposée sur le substrat et telle que ledit semi-conducteur comprend un paramètre de maille différent de 25 celui du matériau du substrat, - un premier empilement de plusieurs deuxièmes et troisièmes couches disposées de manière alternée l'une contre l'autre, entre le substrat et la première couche, et comportant ledit semi-conducteur, et dans lequel : 3028670 4 - le taux d'un élément du semi-conducteur des deuxièmes couches varie de manière croissante d'une deuxième couche à l'autre selon une direction allant du substrat à la première couche, - le taux dudit élément du semi-conducteur des troisièmes couches 5 varie de manière décroissante d'une troisième couche à l'autre selon ladite direction et tel qu'une valeur d'un paramètre de maille moyen de chaque groupe d'une deuxième et d'une troisième couches adjacentes soit sensiblement constante dans le premier empilement lorsque ladite structure cristalline comprend des mailles cubiques, ou, lorsque ladite structure cristalline comprend des mailles hexagonales, le taux dudit 10 élément du semi-conducteur des troisièmes couches est sensiblement constant ou varie de manière décroissante d'une troisième couche à l'autre selon ladite direction tel que le paramètre de maille moyen de chaque groupe d'une deuxième et d'une troisième couches adjacentes ait une valeur variant de manière croissante d'un groupe à l'autre du premier empilement selon ladite direction, 15 - l'épaisseur de chacune des deuxièmes et troisièmes couches est inférieure à environ 5 nm. Comme les super-réseaux de l'art antérieur, le premier empilement d'une telle structure semi-conductrice comporte un grand nombre d'interfaces entre des couches de compositions différentes, ce qui permet de réduire la densité de dislocations 20 se formant au sein de la structure. De plus, selon la géométrie des mailles de la structure cristalline du semi-conducteur de la première couche, la valeur moyenne du paramètre de maille au sein du premier empilement varie de manière croissante ou reste constante, ce qui permet de maintenir une bonne compression dans les matériaux comprenant une structure cristalline à mailles hexagonales et d'éviter une contrainte dans les matériaux 25 comprenant une structure cristalline à mailles cubiques. Le premier empilement des deuxièmes et troisièmes couches inclus dans cette structure semi-conductrice permet d'avoir une première couche de semiconducteur du groupe III-V ou II-VI et comprenant une structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales comportant, à épaisseur équivalente, une meilleure qualité que 30 dans les structures de l'art antérieur, tout en conservant une bonne contrainte en 3028670 5 compression au sein des différentes couches de la structure. De manière analogue, pour une qualité de semi-conducteur donnée (qualité du semi-conducteur de la première couche), cette structure permet d'avoir une première couche de semi-conducteur d'épaisseur supérieure à celle pouvant être obtenue avec les structures de l'art antérieur. 5 En outre, par rapport aux couches tampon de l'art antérieur utilisées et pour une même qualité du semi-conducteur final obtenu (semi-conducteur de la première couche), l'épaisseur totale des couches se trouvant entre le substrat et la première couche peut être inférieure à celles des couches tampon de l'art antérieur, ce qui se traduit par un gain sur l'encombrement, et un coût de réalisation inférieur à ceux 10 des structures de l'art antérieur. Le taux d'un élément du semi-conducteur des deuxièmes couches varie de manière croissante d'une deuxième couche à l'autre selon une direction allant du substrat à la première couche. Autrement dit, en considérant deux deuxièmes couches au sein du premier empilement, le taux de cet élément dans l'une de ces deux deuxièmes 15 couches qui est la plus proche du substrat est inférieur au taux de cet élément dans l'autre de ces deux deuxièmes couches. Lorsque la structure cristalline du semi-conducteur comprend des mailles cubiques, le taux de cet élément du semi-conducteur des troisièmes couches varie de manière décroissante d'une troisième couche à l'autre selon une direction allant de la 20 première couche au substrat. Autrement dit, en considérant deux troisièmes couches au sein du premier empilement, le taux de cet élément dans l'une de ces deux troisièmes couches qui est la plus proche de la première couche est supérieur au taux de cet élément dans l'autre de ces deux troisièmes couches. Lorsque la structure cristalline du semi-conducteur comprend des 25 mailles hexagonales, le taux de cet élément du semi-conducteur des troisièmes couches est sensiblement constant dans toutes les troisièmes couches. Cette configuration permet l'ajout d'une contrainte compressive sans générer de dislocations car dans un tel semiconducteur, il n'y a pas de plan de glissement, sauf parallèle à la croissance dans la direction . Cette contrainte compressive permet notamment de compenser la 3028670 6 différence de CTE entre les matériaux, par exemple entre le GaN et le silicium, pendant le refroidissement après croissance. Un semi-conducteur du groupe III-V correspond à un semi-conducteur comportant un ou plusieurs éléments appartenant à la colonne III A, ou 13, et un ou 5 plusieurs éléments appartenant à la colonne V A, ou 15, du tableau périodique des éléments, ou table de Mendeleïev. Un semi-conducteur du groupe II-VI correspond à un semi-conducteur comportant un ou plusieurs éléments appartenant à la colonne II B, ou 12, et un ou plusieurs éléments appartenant à la colonne VI A, ou 16, du tableau périodique des 10 éléments. L'épaisseur de chacune des deuxièmes et troisièmes couches peut être inférieure à une épaisseur critique au-delà de laquelle un phénomène de relaxation se produit et qui se traduit par la formation de dislocations et d'états d'interface. Cela est notamment vérifier en réalisant les deuxièmes et troisièmes couches avec une épaisseur 15 inférieure à environ 5 nm. En évitant une telle relaxation dans les couches, un effet correspondant à une contrainte qui augmente de façon contrôlée et continue est obtenu. Le semi-conducteur peut être de l'AlxGaylnu_x_y)N, avec 0 X REVENDICATIONS1. Structure semi-conductrice (100) comportant au moins : un substrat (102), une première couche (106) de semi-conducteur du groupe III-V ou II- VI et comprenant une structure cristalline à mailles cubiques ou hexagonales, disposée sur le substrat (102) et telle que ledit semi-conducteur comprend un paramètre de maille différent de celui du matériau du substrat (102), - un premier empilement de plusieurs deuxièmes et troisièmes couches (108, 110) disposées de manière alternée l'une contre l'autre, entre le substrat (102) et la première couche (106), et comportant ledit semi-conducteur, et dans lequel : - le taux d'un élément du semi-conducteur des deuxièmes couches (108) varie de manière croissante d'une deuxième couche à l'autre selon une direction allant du substrat (102) à la première couche (106), - le taux dudit élément du semi-conducteur des troisièmes couches (110) varie de manière décroissante d'une troisième couche à l'autre selon ladite direction et tel qu'une valeur d'un paramètre de maille moyen de chaque groupe d'une deuxième et d'une troisième couches (108, 110) adjacentes soit sensiblement constante dans le premier empilement lorsque ladite structure cristalline comprend des mailles cubiques, ou, lorsque ladite structure cristalline comprend des mailles hexagonales, le taux dudit élément du semi-conducteur des troisièmes couches (110) est sensiblement constant ou varie de manière décroissante d'une troisième couche à l'autre selon ladite direction tel que le paramètre de maille moyen de chaque groupe d'une deuxième et d'une troisième couches (108, 110) adjacentes ait une valeur variant de manière croissante d'un groupe à l'autre du premier empilement selon ladite direction, - l'épaisseur de chacune des deuxièmes et troisièmes couches (108, 110) est inférieure à environ 5 nm. 2. Structure semi-conductrice (100) selon la revendication 1, dans laquelle le semi-conducteur est de l'AlxGayln(1_x_y)N, avec 0 X 3. Structure semi-conductrice (100) selon la revendication 2, dans laquelle le semi-conducteur de la première couche (106) est du GaN, et/ou le semiconducteur des deuxièmes couches (108) est de l'AlxGa(1_x)N, et/ou le semi-conducteur 5 des troisièmes couches (110) est du GaN. 4. Structure semi-conductrice (100) selon la revendication 3, dans laquelle le semi-conducteur des deuxièmes couches (108) est de l'AlxGa(1_x)N tel que X varie d'environ 1 à environ 0,3 d'une deuxième couche à l'autre selon une direction allant 10 du substrat (102) à la première couche (106). 5. Structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications 2 à 4, comportant en outre une couche tampon (104) comprenant de l'AIN et disposée entre le substrat (102) et le premier empilement des deuxièmes et troisièmes couches 15 (108, 110). 6. Structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur de chacune des deuxièmes et troisièmes couches (108, 110) est inférieure à environ 2 nm. 20 7. Structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les épaisseurs des deuxièmes couches (108) sont sensiblement similaires les unes par rapport aux autres et/ou les épaisseurs des troisièmes couches (110) sont sensiblement similaires les unes par rapport aux autres. 25 8. Structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le substrat (102) comporte du silicium monocristallin. 9. Structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications 30 précédentes, dans laquelle l'épaisseur totale du premier empilement des deuxièmes et troisièmes couches (108, 110) est inférieure ou égale à environ 5 iim. 3028670 20 10. Structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre au moins : - un deuxième empilement de plusieurs deuxièmes et troisièmes couches (108, 110) disposées de manière alternée l'une contre l'autre et sensiblement 5 similaires aux deuxièmes et troisièmes couches (108, 110) du premier empilement, disposé entre le premier empilement et la première couche (106), - une quatrième couche (112) de semi-conducteur de composition sensiblement similaire à celle du semi-conducteur de la première couche (106) et disposée entre les premier et deuxième empilements. 10 11. Procédé de réalisation d'une structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins les première, deuxièmes et troisièmes couches (106, 108, 110) sont réalisées par épitaxie par jet moléculaire ou en phase vapeur. 12. Dispositif semi-conducteur (200, 300) comportant au moins une structure semi-conductrice (100) selon l'une des revendications 1 à 10 et une zone active comprenant la première couche (106) de la structure semi-conductrice (110) ou disposée sur la première couche (106) de la structure semi-conductrice (110). 13. Dispositif semi-conducteur (200, 300) selon la revendication 12, dans lequel ledit dispositif semi-conducteur comporte au moins une diode électroluminescente (300) et/ou au moins un transistor (200) comprenant la zone active. 15 20