Brevet FR3132592A1 — publié le 20230811

Un procédé de fabrication d’un composant émetteur de rayonnement (R) à partir d’un substrat (1) de carbure de silicium cristallin comprend d’implanter des ions à température ambiante dans ledit substrat. L’implantation produit une amorphisation du substrat dans un volume (VS) qui est situé sous la surface dudit substrat. Il en résulte une diminution locale de la densité du substrat, qui améliore une sortie du rayonnement provenant de l’intérieur du substrat. Le composant peut être un émetteur de photons uniques à centres colorés (CC), ou une photodiode. Figure d’abrégé : Figure 2a FABRICATION D’UN COMPOSANT EMETTEUR DE RAYONNEMENT A PARTIR D’UN SUBSTRAT DE CARBURE DE SILICIUM La présente description concerne un procédé de fabrication d’un composant émetteur de rayonnement, ainsi qu’un composant qui peut être obtenu de cette manière. De façon générale, un tel composant émetteur de rayonnement peut être du type à centres colorés, par exemple pour émettre des photons uniques, ou du type à jonction bipolaire, tel qu’une diode électroluminescente. L’utilisation de carbure de silicium (SiC) cristallin pour produire des composants émetteurs de rayonnement présente de nombreux avantages, qui proviennent en particulier des propriétés suivantes du matériau : son inertie chimique, sa stabilité thermique, sa conductivité thermique et sa large bande interdite («gap» en anglais), notamment en comparaison du silicium (Si) qui est le matériau semiconducteur le plus utilisé aujourd’hui en microélectronique. Le carbure de silicium permet en particulier de produire de façon contrôlée du rayonnement dans l’intervalle spectral de la lumière visible, et aussi autour de 1,5 µm (micromètre), par exemple pour des applications de télécommunication. L’efficacité d’extraction du rayonnement qui est produit à l’intérieur du composant en carbure de silicium, éventuellement dopé intentionnellement, vers l’extérieur de ce composant afin que le rayonnement puisse être utilisé pour l’application voulue, est alors un enjeu majeur. En effet, une extraction du rayonnement qui est plus efficace permet de réduire une consommation énergétique du composant à quantité égale de rayonnement qui est utilisable. En outre, il est essentiel de pouvoir produire en série des composants dont l’efficacité d’émission est contrôlée et reproductible. Problème technique Un but de la présente invention est donc d’améliorer l’efficacité de sortie du rayonnement qui est produit au sein d’un composant à base de carbure de silicium, vers l’extérieur de ce composant. En particulier, cette amélioration est recherchée de façon à pouvoir la mettre en œuvre de façon reproductible et contrôlée pour des séries importantes de composants fabriqués. Pour atteindre ce but ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un procédé de fabrication d’un composant émetteur de rayonnement à partir d’un substrat de carbure de silicium cristallin, ce procédé comprenant les étapes suivantes : /1/ dans une surface du substrat, déterminer au moins une portion de cette surface qui est destinée à constituer, lors d’une utilisation du composant, une fenêtre de sortie vers l’extérieur du substrat du rayonnement qui provient de l’intérieur du substrat ; et /2/ pendant que le substrat possède une température inférieure à 200°C (degré Celsius), implanter des ions dans le substrat, à travers la portion de la surface du substrat qui est destinée à constituer la fenêtre de sortie du rayonnement, avec des valeurs de dose d’implantation ionique et d’énergie d’implantation ionique qui sont adaptées pour produire une amorphisation du substrat dans un volume situé sous sa surface. En effet, les inventeurs ont découvert que contrairement à une implantation ionique qui est effectuée pendant que le substrat possède une température supérieure à 300°C, par exemple comprise entre 300°C et 600°C, une implantation ionique qui est effectuée pendant que la température du substrat est inférieure à 200°C est plus efficace pour amorphiser le matériau de carbure de silicium. Ce matériau de carbure de silicium qui est ainsi amorphisé possède alors une densité qui est réduite par rapport au matériau cristallin tel qu’existant avant l’implantation ou en dehors du volume traversé par les ions implantés. Pour cette raison, l’indice de réfraction du matériau de carbure de silicium est réduit dans la portion de matériau qui est intermédiaire entre la surface du substrat et la profondeur d’implantation des ions, et cette réduction d’indice de réfraction produit un effet antireflet au moins partiel pour le rayonnement qui provient de l’intérieur du substrat, notamment du volume du substrat dans lequel les ions ont été implantés, et dont la direction d’émission traverse la surface du substrat dans la fenêtre de sortie. Grâce à cet effet antireflet, la sortie du rayonnement vers l’extérieur du composant est favorisée, si bien que le composant présente un rendement de production de rayonnement qui est amélioré. De cette façon, une consommation d’énergie par le composant est réduite, à quantité égale de rayonnement qui est émise. La réduction de la densité du substrat dans le volume d’amorphisation peut produire un gonflement de celui-ci qui apparaît au niveau de sa surface. Ce gonflement constitue alors une preuve de la réduction de la densité du matériau de carbure de silicium qu’a produite l’implantation ionique. Dans ce cas, les valeurs de profondeur dans le substrat qui sont citées dans la suite sont mesurées à partir de la surface du substrat telle que résultant du gonflement. Dans le jargon de l’Homme du métier, l’implantation ionique qui est effectuée alors que la température du substrat est inférieure à 200°C, est dite à température ambiante lorsqu’aucun chauffage n’est appliqué intentionnellement au substrat, ou lorsqu’un chauffage limité est utilisé. Le plus souvent, aucun moyen de contrôle de la température du substrat peut n’être utilisé pendant cette implantation dite à température ambiante. Mais il est aussi possible de réaliser l’implantation ionique de l’étape /2/ pendant que le substrat est refroidi en utilisant des moyens appropriés. De façon générale, la température du substrat pendant l’étape /2/ peut être supérieure à 4 K (degré Kelvin). De façon préférée, à l’étape /2/, les valeurs de dose d’implantation ionique et d’énergie d’implantation ionique peuvent être sélectionnées pour produire une amorphisation du substrat entre sa surface et une valeur de profondeur qui est comprise entre 0,2 µm et 1 µm, mesurée à partir de la surface du substrat. En particulier, ces valeurs de dose et d’énergie d’implantation peuvent être adaptées par rapport à la longueur d’onde du rayonnement qui sera produit dans le substrat pendant l’utilisation du composant et destiné à sortir du substrat. Autrement dit, le volume d’amorphisation, sous la surface du substrat, constitue une couche à effet antireflet dont l’épaisseur peut être optimisée avantageusement par rapport à la longueur d’onde du rayonnement. A titre d’exemple, ce rayonnement qui est produit par le composant peut être de la lumière visible ou du rayonnement infrarouge, par exemple avec une longueur d’onde proche de 1,5 µm. Les ions qui sont implantés à l’étape /2/ peuvent être sélectionnés parmi des ions d’aluminium (Al), des ions de bore (B) et des ions d’azote (N). Mais d’autres ions aussi adaptés pour produire des dopages voulus peuvent être utilisés alternativement. Préférentiellement, à l’étape /2/, la valeur de dose d’implantation ionique peut être comprise entre 10 14 et 10 16 ions par cm 2 (centimètre-carré), et la valeur d’énergie d’implantation ionique peut être comprise entre 20 keV (kiloélectron-volt) et 800 keV. En effet, ces valeurs sont particulièrement appropriées pour produire une réduction d’indice de réfraction qui soit suffisante pour accroître sensiblement l’efficacité de sortie du rayonnement vers l’extérieur du composant. Avantageusement, et notamment pour réaliser une diode électroluminescente dans le substrat de carbure de silicium, les ions peuvent être implantés dans le substrat à l’étape /2/, à travers la portion de sa surface qui est destinée à constituer la fenêtre de sortie du rayonnement, avec un premier couple de valeurs pour la dose d’implantation ionique et l’énergie d’implantation ionique, et avec un second couple de valeurs pour ces paramètres d’implantation ionique, le premier couple de valeurs étant adapté pour doper au moins une partie d’une diode électroluminescente située dans le substrat, à une profondeur mesurée à partir de la surface du substrat qui est supérieure à une épaisseur du volume d’amorphisation, cette épaisseur étant mesurée perpendiculairement à la surface du substrat, et le second couple de valeurs étant adapté pour produire l’amorphisation du substrat dans le volume situé sous sa surface. Une telle combinaison d’implantation ionique est particulièrement avantageuse pour réduire le coût de fabrication de la diode électroluminescente. De préférence, l’implantation avec le premier couple de valeurs et effectuée avant celle avec le second couple de valeurs. De façon générale, le procédé de l’invention peut comprendre en outre l’étape suivante, qui est effectuée le cas échéant après l’étape /2/ : /3/ appliquer un traitement thermique au substrat, ce traitement thermique produisant une activation d’un dopage du substrat par les ions implantés. Une recristallisation qui pourrait être provoquée par ce traitement thermique est en général partielle, et insuffisante pour modifier significativement la densité du matériau du substrat dans le volume d’amorphisation. Le traitement thermique de cette étape /3/ peut être réalisé à pression atmosphérique, sous argon (Ar), avec une température qui est comprise entre 800°C et 1900°C, de préférence entre 1600°C et 1800°C, pendant une durée qui est inférieure à 1 heure. Au-delà de cette durée, ce traitement thermique pourrait réduire l’effet d’antireflet qui est procuré par l’amorphisation du substrat en dessous de la fenêtre de sortie du rayonnement. Le traitement thermique de l’étape /3/ peut être effectué pendant ou après une implantation d’ions dans le substrat qui est destinée à doper au moins une partie d’une diode électroluminescente qui est située dans ce substrat. Jusqu’avant l’étape /2/ qui produit l’amorphisation d’une partie du substrat de carbure de silicium, ce dernier peut être monocristallin, notamment selon le polytype 3C, 6H ou 4H. Un second aspect de l’invention propose un composant émetteur de rayonnement, qui comprend un substrat de carbure de silicium cristallin, ce substrat ayant une surface et possédant une première valeur de densité de matériau dans un volume situé sous une portion de cette surface qui est destinée à constituer, lors d’une utilisation du composant, une fenêtre de sortie vers l’extérieur du substrat pour du rayonnement en provenance de l’intérieur du substrat, cette première valeur de densité de matériau étant inférieure à une seconde valeur de densité de matériau qui est effective dans le substrat à une profondeur supérieure à une épaisseur du volume correspondant à la première valeur de densité, la profondeur et l’épaisseur étant mesurées perpendiculairement à la surface du substrat, la profondeur étant mesurée à partir de la surface du substrat. Pour obtenir une augmentation supérieure de l’efficacité de sortie du rayonnement, un quotient de la première valeur de densité de matériau sur la seconde valeur de densité de matériau peut être inférieur à 0,95, de préférence inférieur à 0,90. Dans un tel composant, le substrat de carbure de silicium peut être monocristallin, au moins en dehors du volume qui correspond à la première valeur de densité du matériau. Un tel composant peut constituer un émetteur à centre coloré, par exemple pour émettre des photons uniques, ou une diode électroluminescente, situé(e) dans le substrat. Alors, lors de l’utilisation de ce composant, le rayonnement est émis par le centre coloré ou par la diode électroluminescente et traverse la fenêtre de sortie. Le centre coloré ou la diode électroluminescente, selon le cas, est situé(e) sous la surface du substrat à une profondeur qui est supérieure ou égale à l’épaisseur du volume correspondant à la première valeur de densité du matériau. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : est une vue en coupe transversale d’un substrat utilisé pour fabriquer un composant photoémetteur, conformément à l’invention ; correspond à pour une étape ultérieure du procédé ; correspond à pour une étape encore ultérieure du procédé ; correspond à pour une étape encore ultérieure du procédé ; est une vue en coupe transversale d’un composant photoémetteur à centres colorés, tel qu’obtenu par un procédé de fabrication conforme à l’invention ; et correspond à pour une photodiode obtenue par un procédé de fabrication conforme à l’invention. Procédé de fabrication d’un composant émetteur de rayonnement à partir d’un substrat (1) de carbure de silicium cristallin, le procédé comprenant : /1/ dans une surface (S) du substrat (1), déterminer au moins une portion de ladite surface qui est destinée à constituer, lors d’une utilisation du composant, une fenêtre (W) de sortie vers l’extérieur du substrat du rayonnement (R) en provenance de l’intérieur dudit substrat ; et /2/ pendant que le substrat (1) possède une température inférieure à 200°C, implanter des ions dans le substrat, à travers la portion de la surface (S) dudit substrat qui est destinée à constituer la fenêtre (W) de sortie du rayonnement (R), avec des valeurs de dose d’implantation ionique et d’énergie d’implantation ionique qui sont adaptées pour produire une amorphisation du substrat dans un volume (VS) situé sous ladite surface du substrat. Procédé selon la revendication 1, suivant lequel, à l’étape /2/, les valeurs de dose d’implantation ionique et d’énergie d’implantation ionique sont sélectionnées pour produire une amorphisation du substrat (1) entre la surface (S) dudit substrat et une valeur de profondeur (P) comprise entre 0,2 µm et 1 µm, mesurée à partir de ladite surface du substrat. Procédé selon la revendication 1 ou 2 suivant lequel, à l’étape /2/, la valeur de dose d’implantation ionique est comprise entre 10 14 et 10 16 ions par cm 2 , et la valeur d’énergie d’implantation ionique est comprise entre 20 keV et 800 keV. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes suivant lequel, à l’étape /2/, les ions sont implantés dans le substrat (1), à travers la portion de la surface (S) dudit substrat qui est destinée à constituer la fenêtre (W) de sortie du rayonnement, avec un premier couple de valeurs pour la dose d’implantation ionique et l’énergie d’implantation ionique, et avec un second couple de valeurs pour ladite dose d’implantation ionique et ladite énergie d’implantation ionique, le premier couple de valeurs étant adapté pour doper au moins une partie d’une diode électroluminescente située dans le substrat, à une profondeur (P) mesurée à partir de la surface du substrat qui est supérieure à une épaisseur du volume (VS) d’amorphisation, ladite épaisseur étant mesurée perpendiculairement à la surface du substrat, et le second couple de valeurs étant adapté pour produire l’amorphisation du substrat dans le volume (VS) situé sous la surface dudit substrat. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre l’étape suivante, effectuée après l’étape /2/ : /3/ appliquer un traitement thermique au substrat (1), ledit traitement thermique produisant une activation d’un dopage du substrat par les ions implantés. Procédé selon la revendication 5, suivant lequel le traitement thermique de l’étape /3/ est réalisé à pression atmosphérique, sous argon, avec une température comprise entre 800°C et 1900°C, de préférence entre 1600°C et 1800°C, pendant une durée inférieure à 1 heure. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel le substrat (1) de carbure de silicium est monocristallin avant l’étape /2/. Composant émetteur de rayonnement, comprenant un substrat (1) de carbure de silicium cristallin, ledit substrat ayant une surface (S) et possédant une première valeur de densité de matériau dans un volume (VS) situé sous une portion de ladite surface qui est destinée à constituer, lors d’une utilisation du composant, une fenêtre (W) de sortie vers l’extérieur du substrat pour du rayonnement (R) en provenance de l’intérieur dudit substrat, ladite première valeur de densité de matériau étant inférieure à une seconde valeur de densité de matériau qui est effective dans le substrat à une profondeur supérieure à une épaisseur du volume correspondant à la première valeur du matériau, la profondeur et l’épaisseur étant mesurées perpendiculairement à la surface du substrat, la profondeur étant mesurée à partir de ladite surface du substrat. Composant selon la revendication 8, dans lequel un quotient de la première valeur de densité de matériau sur la seconde valeur de densité de matériau est inférieur à 0,95, de préférence inférieur à 0,90. Composant selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le substrat (1) de carbure de silicium est monocristallin, au moins en dehors du volume (VS) correspondant à la première valeur de densité de matériau. Composant selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, formant un émetteur à centre coloré ou une diode électroluminescente, situé(e) dans le substrat (1), et tel que lors de l’utilisation dudit composant, le rayonnement (R) soit émis par le centre coloré ou par la diode électroluminescente et traverse la fenêtre (W) de sortie, ledit centre coloré ou ladite diode électroluminescente étant située sous la surface (S) du substrat à une profondeur (P) qui est supérieure ou égale à l’épaisseur du volume (VS) correspondant à la première valeur de densité de matériau.