Brevet FR3069859A1 — publié le 20190208

STRUCTURE SEMICONDUCTRICE COMPORTANT UNE MEMBRANE SUSPENDUE A PORTION CENTRALE STRUCTUREE EN EPAISSEUR DOMAINE TECHNIQUE [001] Le domaine de l'invention est celui des structures semiconductrices réalisées en un composé semiconducteur cristallin, et comportant une membrane suspendue dont une portion centrale est mise en tension par des bras tenseurs. L'invention s'applique en particulier aux dispositifs microélectroniques ou optoélectroniques comportant une telle structure semiconductrice. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [002] Dans diverses applications microélectroniques ou optoélectroniques, il peut être avantageux d'utiliser une couche en un composé semiconducteur cristallin, de préférence monocristallin, présentant une contrainte mécanique en tension. C'est le cas notamment de certaines sources de lumière dont le matériau de la couche émissive présente, hors contrainte, une structure de bandes d'énergie indirecte, la structure de bandes étant alors rendue directe par l'application d'une contrainte en tension suffisante. Le composé semiconducteur cristallin peut être un composé à base de germanium, par exemple du germanium, du germanium étain, voire du silicium germanium. [3] Le document EP296o2o3 décrit un exemple de structure semiconductrice comportant une couche semiconductrice réalisée à base de germanium, la couche semiconductrice étant structurée pour former une membrane suspendue au-dessus d'une couche support. La membrane suspendue comporte une portion centrale mise en tension par des portions latérales formant des bras tenseurs. Ces derniers présentent une forme trapézoïdale dont la largeur augmente à mesure que l'on s'éloigne de la portion centrale, permettant ainsi d'améliorer l'homogénéité de la distribution spatiale des contraintes mécaniques subies par la portion centrale. [4] Il existe cependant un besoin de disposer d'une structure semiconductrice à membrane suspendue réalisée en un composé semiconducteur cristallin qui présente des propriétés optiques et/ou électroniques améliorées. EXPOSÉ DE L'INVENTION [005] L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer une structure semiconductrice 2 comportant une membrane suspendue réalisée en un composé semiconducteur cristallin qui présente des propriétés optiques et/ou électroniques améliorées. [6] Pour cela, l'objet de l'invention est une structure semiconductrice comportant une couche semiconductrice réalisée en un composé semiconducteur cristallin, dont une partie 5 de la couche semiconductrice forme une membrane suspendue au-dessus d'une couche support, la membrane suspendue étant formée : d'une portion centrale contrainte en tension dans un plan parallèle à la couche support ; et de plusieurs portions latérales opposées les unes aux autres vis-à-vis de la portion centrale et agencées de manière à maintenir la portion centrale suspendue et contrainte en tension suivant au moins deux 10 axes distincts de déformation, les portions latérales présentant une largeur moyenne supérieure à une largeur moyenne de la portion centrale. Selon l'invention, la portion centrale comporte au moins une zone amincie en épaisseur. [7] Certains aspects préférés, mais non limitatifs de cette structure semiconductrice sont les suivants. 15 [008] La zone amincie peut présenter un amincissement en épaisseur supérieur ou égal à 20%, et de préférence supérieur ou égal à 50%. [009] Un rapport entre la surface de la zone amincie et celle de la portion centrale peut être supérieur ou égal à 14%, et de préférence être supérieur ou égal à 25%. [0olo] La membrane suspendue peut présenter une structure de bandes d'énergie directe 20 au moins dans ladite zone amincie. [0on] Le composé semiconducteur cristallin peut être à base de germanium. [0012] La portion centrale peut comporter une pluralité de zones amincies distinctes les unes des autres et agencées les unes par rapport aux autres de manière à former une cavité optique. 25 [0013] L'invention porte également sur un dispositif optoélectronique d'émission de lumière cohérente comportant une structure semiconductrice selon la caractéristique précédente, la portion centrale étant adaptée à former un milieu à gain du dispositif optoélectronique. [0014] La portion centrale peut comporter une pluralité de zones amincies distinctes les 30 unes des autres et disposées les unes à côté des autres de manière périodique de manière à former des cristaux photoniques. [0015] La portion centrale peut comporter une première zone amincie entourée d'une pluralité de zones amincies distinctes les unes des autres et présentant chacune une forme 3 d'anneau entourant la première zone amincie, de manière à former une cavité optique en anneaux. [0016] La portion centrale peut comporter au moins deux zones amincies sous la forme de bandes parallèles l'une à l'autre s'étendant longitudinalement sur la portion centrale et sur 5 deux portions latérales disposées de manière opposée l'une à l'autre vis-à-vis de la portion centrale. Des miroirs de Bragg peuvent être situés aux extrémités des zones amincies pour former une cavité optique. [0017] L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les 10 étapes suivantes : i) réalisation d'un empilement formé de la couche semiconductrice recouvrant une couche sacrificielle disposée sur une couche support, la couche semiconductrice présentant une valeur initiale non nulle de contrainte en tension ; ii) structuration de la couche semiconductrice de manière à former la partie 15 structurée et la partie périphérique ; iii) réalisation d'au moins une zone amincie en épaisseur dans la portion centrale ; iv) réalisation d'une cavité sous la partie structurée en rendant libre une surface de la couche support située en regard de la partie structurée, la portion centrale étant alors contrainte en tension à une valeur finale supérieure à la valeur initiale. 20 [0018] Le procédé de fabrication peut comporter au moins les étapes suivantes : préalablement à l'étape i de réalisation de l'empilement, on estime une valeur minimale de contrainte en tension à partir de laquelle la zone amincie de la portion centrale présente une structure de bandes d'énergie directe pour une valeur donnée d'épaisseur moyenne de la zone amincie ; 25 lors de l'étape i, réalisation de l'empilement de sorte que la couche semiconductrice présente une valeur initiale inférieure à la valeur minimale ; préalablement à l'étape ii de structuration, détermination de la structuration de sorte que, après l'étape iv de réalisation de la cavité, la zone amincie de la portion centrale présente une valeur finale de contrainte en tension supérieure ou égale à 30 la valeur minimale, et donc une structure de bandes d'énergie directe. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0019] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de 4 celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1A est une vue schématique et partielle en coupe longitudinale d'une structure semiconductrice selon un exemple de l'art antérieur, comportant une membrane 5 suspendue à portion centrale contrainte en tension de manière biaxiale par des bras tenseurs ; la figure iB est une vue schématique de dessus de la structure semiconductrice illustrée sur la fig.IA ; et la figure iC est une vue schématique de dessus d'une variante de la structure semiconductrice illustrée sur la fig.iB, dans laquelle la portion centrale est contrainte en tension de manière uniaxiale ; 10 la figure 2A est une vue au microscope électronique à balayage d'une structure semiconductrice similaire à celle illustrée sur la fig.IA ; la figure 2B illustre la distribution spatiale de l'énergie de gap direct EGT dans la membrane suspendue de la structure semiconductrice illustrée sur la fig.2A ; et la figure 2C illustre le diagramme de bandes d'énergie de la membrane suspendue suivant l'axe A-A illustré sur la fig.2A ; 15 la figure 3A et 3B sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe longitudinale et de dessus, d'une structure semiconductrice selon un mode de réalisation dans lequel la membrane suspendue comporte au moins une zone amincie en épaisseur, et la figure 3C illustre le diagramme de bandes d'énergie de la membrane suspendue suivant l'axe A-A illustré sur la fig.3A ; 20 la figure 4 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'une structure semiconductrice selon un mode de réalisation dans lequel la membrane suspendue comporte au moins une zone amincie en épaisseur, et les figures 5A à 5C illustrent les diagrammes de bandes d'énergie de la membrane suspendue suivant l'axe A-A illustré sur la fig.4, pour différentes épaisseurs moyennes de la zone amincie ; 25 la figure 6 est une vue de dessus, schématique et partielle, d'une structure semiconductrice selon un mode de réalisation dans lequel la membrane suspendue comporte au moins une zone amincie en épaisseur pour différentes surfaces amincies, et les figures 7A à 7C illustrent les diagrammes de bandes d'énergie de la membrane suspendue suivant l'axe A-A illustré sur la fig.4, pour différentes surfaces de la zone amincie ; 30 les figures 8A à 8C sont des vues de dessus, schématiques et partielles, de différentes variantes de la structure semiconductrice selon un mode de réalisation comportant une cavité optique à des cristaux photoniques (fig.8A) ; une cavité optique en anneaux (fig.8B) ; et une cavité optique à miroirs de Bragg situés aux extrémités de zones amincies rectilignes (fig.8C). 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0020] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les 5 différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient à 10% près. Par ailleurs, l'expression « comportant un » doit être comprise comme « comportant au moins un », sauf indication contraire. 10 [0021] L'invention concerne d'une manière générale une structure semiconductrice comportant une membrane suspendue réalisée en un composé semiconducteur cristallin, la membrane suspendue comportant une portion centrale mise en tension par des portions latérales formant des bras tenseurs. La membrane suspendue est de préférence réalisée à base de germanium contraint en tension de manière suffisante pour que la 15 portion centrale présente, au moins en partie, une structure de bandes d'énergie directe. [0022] D'une manière générale, le composé semiconducteur cristallin est de préférence monocristallin, et peut être choisi notamment parmi les éléments de la colonne W de la classification périodique, tels que le silicium, le germanium, l'étain dans sa phase semiconductrice, et les alliages formés de ces éléments, par exemple le SiGe, le GeSn, le 20 SiGeSn. Il peut également être choisi parmi les alliages comportant des éléments des colonnes III et V de la classification périodique, par exemple le GaInAs et l'InP, voire comportant des éléments des colonnes II et VI, par exemple le CdHgTe. [0023] Par portion contrainte, on entend une portion de couche réalisée en un composé semiconducteur cristallin présentant une contrainte mécanique en tension ou en 25 compression, entraînant une déformation des mailles du réseau cristallin du composé semiconducteur. La portion est contrainte en tension lorsqu'elle subit une contrainte mécanique qui tend à étirer les mailles du réseau dans un plan. Dans le cadre de l'invention, la portion centrale de la couche semiconductrice est contrainte en tension dans le plan de la couche, ce qui se traduit par le fait que son paramètre de maille présente 30 une valeur dite effective supérieure à sa valeur dite naturelle lorsque le composé semiconducteur est relaxé, i.e. non contraint. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, la contrainte considérée est orientée dans le plan de la couche semiconductrice. [0024] Par structure de bandes directe ou sensiblement directe, on entend que le 35 minimum d'énergie EBC,L de la bande de conduction de la vallée L (ou vallée indirecte) est 6 supérieur ou sensiblement égal au minimum d'énergie EBC,F de la bande de conduction de la vallée F (ou vallée directe), autrement dit : 4E = EBc,L- EBc,r 0. Par sensiblement égal, on entend ici que cette différence d'énergie est de l'ordre de grandeur ou inférieure à kT, où k est la constante de Boltzmann et T la température du matériau. De préférence, la 5 couche semiconductrice est réalisée à base de germanium dont la structure de bandes d'énergie est indirecte en-dehors de la portion centrale de la membrane suspendue, autrement dit 4E o sur la distance 1,5ùrn centrée sur X=o, qui devient ensuite indirecte 4E REVENDICATIONS1. Structure semiconductrice (1), comportant une couche semiconductrice (10) réalisée en un composé semiconducteur cristallin, dont une partie de la couche semiconductrice 5 (10) forme une membrane suspendue au-dessus d'une couche support (2), la membrane suspendue étant formée : o d'une portion centrale (20), contrainte en tension dans un plan parallèle à la couche support (2) ; o de plusieurs portions latérales (30), opposées les unes aux autres vis-à-vis de la portion 10 centrale (20), et agencées de manière à maintenir la portion centrale (20) suspendue et contrainte en tension suivant au moins deux axes distincts de déformation, les portions latérales (30) présentant une largeur moyenne supérieure à une largeur moyenne de la portion centrale (20), caractérisée en ce que la portion centrale (20) comporte au moins une zone amincie (21) 15 en épaisseur. 2. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 1, dans lequel la zone amincie (21) présente un amincissement en épaisseur supérieur ou égal à 20%, et de préférence supérieur ou égal à 50%. 3. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un rapport 20 entre la surface de la zone amincie (21) et celle de la portion centrale (20) est supérieur ou égal à 14%, et de préférence supérieur ou égal à 25%. 4. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la membrane suspendue présente une structure de bandes d'énergie directe au moins dans ladite zone amincie (21). 25 5. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le composé semiconducteur cristallin est à base de germanium. 6. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la portion centrale (20) comporte une pluralité de zones amincies (21) distinctes les unes des autres et agencées les unes par rapport aux autres de manière à former une cavité 30 optique. 21 7. Dispositif optoélectronique d'émission de lumière cohérente comportant une structure semiconductrice (1) selon la revendication précédente, la portion centrale (20) étant adaptée à former un milieu à gain du dispositif optoélectronique. 8. Dispositif optoélectronique selon la revendication 7, dans lequel la portion centrale (20) comporte une pluralité de zones amincies (21) distinctes les unes des autres et disposées les unes à côté des autres de manière périodique de manière à former des cristaux photoniques. 9. Dispositif optoélectronique selon la revendication 7, dans lequel la portion centrale (20) comporte une première zone amincie (21) entourée d'une pluralité de zones amincies (21) distinctes les unes des autres et présentant chacune une forme d'anneau entourant la première zone amincie (21), de manière à former une cavité optique en anneaux. 10. Dispositif optoélectronique selon la revendication 7, dans lequel la portion centrale (20) comporte au moins deux zones amincies (21) sous la forme de bandes parallèles l'une à l'autre s'étendant longitudinalement sur la portion centrale (20) et sur deux portions latérales (30) disposées de manière opposée l'une à l'autre vis-à-vis de la portion centrale (20). 11. Procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant les étapes suivantes : i. réalisation d'un empilement formé de la couche semiconductrice (10) recouvrant une couche sacrificielle (3) disposée sur une couche support (2), la couche semiconductrice (10) présentant une valeur initiale non nulle de contrainte en tension ; ii. structuration de la couche semiconductrice (10) de manière à former la partie structurée (11) et la partie périphérique (12) ; iii. réalisation d'au moins une zone amincie (21) en épaisseur dans la portion centrale (20) ; iv. réalisation d'une cavité (4) sous la partie structurée (11) en rendant libre une surface de la couche support (2) située en regard de la partie structurée (11), la portion centrale (20) étant alors contrainte en tension à une valeur finale supérieure à la valeur initiale. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, comportant au moins les étapes suivantes : - préalablement à l'étape i de réalisation de l'empilement, on estime une valeur minimale de contrainte en tension à partir de laquelle la zone amincie (21) de la 22 portion centrale (20) présente une structure de bandes d'énergie directe pour une valeur donnée d'épaisseur moyenne de la zone amincie (21) ; - lors de l'étape i, réalisation de l'empilement de sorte que la couche semiconductrice (10) présente une valeur initiale inférieure à la valeur minimale ; 5 - préalablement à l'étape ii de structuration, détermination de la structuration de sorte que, après l'étape iv de réalisation de la cavité (4), la zone amincie (21) de la portion centrale (20) présente une valeur finale de contrainte en tension supérieure ou égale à la valeur minimale, et donc une structure de bandes d'énergie directe. 10