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FR3098011A1 - Procede de fabrication de microfils ou nanofils - Google Patents

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FR3098011A1
FR3098011A1 FR1907109A FR1907109A FR3098011A1 FR 3098011 A1 FR3098011 A1 FR 3098011A1 FR 1907109 A FR1907109 A FR 1907109A FR 1907109 A FR1907109 A FR 1907109A FR 3098011 A1 FR3098011 A1 FR 3098011A1
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/117—Shapes of semiconductor bodies
    • H10D62/118—Nanostructure semiconductor bodies
    • H10D62/119—Nanowire, nanosheet or nanotube semiconductor bodies
    • H10P14/24—
    • H10P14/271—
    • H10P14/3202—
    • H10P14/3416—
    • H10P14/3442—
    • H10P14/3444—

Abstract

PROCEDE DE FABRICATION DE MICROFILS OU NANOFILS La présente description concerne un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant des fils (22) de taille micrométrique ou nanométrique comprenant un composé III-V, comprenant, pour chaque fil, la formation d'au moins une portion (24) du fil par une étape de d'épitaxie organométallique en phase vapeur comprenant l'injection dans un réacteur d'un premier gaz précurseur de l'élément du groupe V, d'un deuxième gaz précurseur de l'élément du groupe III et d'un troisième gaz précurseur d'un élément supplémentaire, dopant du composé III-V, en un gaz adapté pour obtenir une concentration de dopants supérieure à 5.1019 atomes/cm3 , par exemple supérieure à 1.1020 atomes/cm3, dans la portion du fil dans le cas où la portion a une concentration de dopants homogène. Figure pour l'abrégé : Fig. 3

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE MICROFILS OU NANOFILS
La présente description concerne de façon générale les dispositifs à base de matériaux semiconducteurs et leurs procédés de fabrication. La présente invention concerne plus particulièrement les dispositifs comprenant des éléments tridimensionnels semiconducteurs de taille nanométrique ou micrométrique, notamment des microfils ou nanofils.
Des exemples de microfils ou nanofils comprenant un matériau semiconducteur sont les microfils ou nanofils à base d'un composé comportant majoritairement au moins un élément du groupe III et un élément du groupe V (par exemple du nitrure de gallium GaN), appelé par la suite composé III-V. De tels microfils ou nanofils permettent la fabrication de dispositifs semiconducteurs tels que des dispositifs optoélectroniques. Par dispositifs optoélectroniques, on entend des dispositifs adaptés pour effectuer la conversion d’un signal électrique en un rayonnement électromagnétique ou inversement, et notamment des dispositifs dédiés à la détection, la mesure ou l’émission d’un rayonnement électromagnétique ou des dispositifs dédiés aux applications photovoltaïques.
Les procédés de fabrication de microfils/nanofils en matériau semiconducteur doivent permettre la fabrication des microfils/nanofils avec un contrôle précis et uniforme de la géométrie, de la position et des propriétés cristallographiques de chaque microfil/nanofil.
Le brevet US9245948 décrit un procédé de fabrication de microfils/nanofils en un composé III-V par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD, acronyme anglais pour Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). Bien que ce procédé permette la fabrication de microfils/nanofils avec un contrôle satisfaisant de la géométrie, de la position et des propriétés cristallographiques de chaque microfil/nanofil, il permet seulement la fabrication de microfils/nanofils ayant la polarité de l'élément du groupe V avec une densité des microfils/nanofils, correspondant au rapport entre la surface occupée par les microfils/nanofils sur un support et la surface totale du support, inférieure à 20 %, notamment inférieure à 10 %.
Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les inconvénients des procédés de fabrication de microfils/nanofils en composé III-V décrits précédemment.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que la densité des microfils/nanofils, puisse être supérieure à 10 %.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que chaque microfil/nanofil puisse être réalisé avec une polarité de l'élément du groupe V ou une polarité de l'élément du groupe III.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que chaque microfil/nanofil ait sensiblement une structure monocristalline.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que la position, la géométrie et les propriétés cristallographiques de chaque microfil/nanofil puissent être contrôlées de façon précise et uniforme.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que les microfils/nanofils puissent être formés à une échelle industrielle et à bas coût.
Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant des fils de taille micrométrique ou nanométrique comprenant un composé III-V, comprenant, pour chaque fil, la formation d'au moins une portion du fil par une étape d'épitaxie organométallique en phase vapeur comprenant l'injection dans un réacteur d'un premier gaz précurseur de l'élément du groupe V, d'un deuxième gaz précurseur de l'élément du groupe III et d'un troisième gaz précurseur d'un élément supplémentaire, dopant du composé III-V, en un gaz adapté pour obtenir une concentration de dopants supérieure à 5.1019atomes/cm3, par exemple supérieure à 1.1020atomes/cm3, dans la portion du fil dans le cas où la portion a une concentration de dopants homogène.
Selon un mode de réalisation, la concentration de dopants à la surface de la portion du fil est supérieure à 1.1020atomes/cm3et/ou la portion du fil est recouverte d'une couche d'un matériau différent du composé III-V et contenant l'élément supplémentaire.
Selon un mode de réalisation, le rapport entre le flux du premier gaz précurseur et le flux du troisième gaz précurseur est inférieur ou égal à 1000, par exemple égal à 130.
Selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur à l'étape de formation de ladite portion est supérieure ou égale à 950 °C.
Selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur à l'étape de formation de ladite portion est supérieure ou égale à 1000 °C.
Selon un mode de réalisation, le rapport V/III à l'étape de formation de ladite portion est inférieur ou égal à 100.
Selon un mode de réalisation, le rapport V/III à l'étape de formation de ladite portion est inférieur ou égal à 50, par exemple égal à 5.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend l'injection dans un réacteur d'un gaz neutre et le rapport entre le flux du gaz neutre et le flux du deuxième gaz précurseur à l'étape de formation de ladite portion est inférieur à 100, par exemple égal à 10.
Selon un mode de réalisation, le rapport entre le flux du troisième gaz précurseur et le flux du deuxième gaz précurseur est inférieur à 1000, par exemple égal à 130.
Selon un mode de réalisation, le rapport entre le flux du troisième gaz précurseur et le flux du gaz neutre est inférieur à 1000000, par exemple égal à 1300.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 est une vue en coupe, partielle et schématique, de la structure obtenue à une étape d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 2 est une vue en coupe de la structure obtenue à une autre étape du procédé ;
la figure 3 est une vue en coupe de la structure obtenue à une autre étape du procédé ;
la figure 4 est une image obtenue par microscopie électronique à balayage d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 5 est une autre image obtenue par microscopie électronique à balayage (MEB) d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 6 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 7 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 8 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 9 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 10 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 11 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 12 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 13 est une autre image MEB d'un dispositif à nanofils ou microfils ;
la figure 14 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils ; et
la figure 15 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils.
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à un ... dans une position normale d'utilisation. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Lorsque les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" sont utilisées en relation avec des directions, elles signifient à 10 ° près, de préférence à 5 ° près. En outre, on considère ici que les termes "isolant" et "conducteur" signifient respectivement "isolant électriquement" et "conducteur électriquement".
La présente invention concerne la fabrication d'éléments tridimensionnels de taille nanométrique ou micrométrique, en particulier des microfils ou des nanofils.
Le terme "microfil" ou "nanofil" désigne une structure tridimensionnelle de forme allongée selon une direction privilégiée dont au moins deux dimensions, appelées dimensions mineures, sont comprises entre 5 nm et 5 µm, de préférence entre 50 nm et 2 µm, plus préférentiellement entre 50 nm et 1,5 µm, la troisième dimension, appelée dimension majeure ou hauteur, étant supérieure ou égale à 1 fois, de préférence supérieure ou égale à 3 fois et encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 5 fois, la plus grande des dimensions mineures. Dans certains modes de réalisation, la hauteur de chaque microfil ou nanofil peut être supérieure ou égale à 500 nm, de préférence comprise entre 1 µm et 50 µm. Dans la suite de la description, on utilise le terme "fil" pour signifier "microfil ou nanofil".
La section droite des fils peut avoir différentes formes, par exemple, une forme ovale, circulaire ou polygonale, notamment triangulaire, rectangulaire, carrée ou hexagonale. On comprendra que le terme "diamètre moyen" utilisé en relation avec une section droite d'un fil désigne une quantité associée avec l'aire du fil dans cette section droite, correspondant, par exemple, au diamètre du disque ayant la même aire que la section droite du fil.
Les fils comprennent en majorité, de préférence à plus de 60 % en masse, plus préférentiellement à plus de 80 % en masse, au moins un composé III-V, par exemple un composé III-N. Des exemples d'éléments du groupe III comprennent le gallium (Ga), l'indium (In) ou l'aluminium (Al). Des exemples de composés III-N sont GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN ou AlInGaN. D'autres éléments du groupe V peuvent également être utilisés, par exemple, le phosphore ou l'arsenic. De façon générale, les éléments dans le composé III-V peuvent être combinés avec différentes fractions molaires. Le matériau semiconducteur des fils peut comporter un dopant, par exemple du silicium assurant un dopage de type N d’un composé III-N, ou du magnésium assurant un dopage de type P d’un composé III-N.
Le fait de dire qu'un composé III-V a une polarité de l'élément du groupe III ou une polarité de l'élément du groupe V signifie que le matériau croît selon une direction cristalline privilégiée et que le dernier plan atomique, par exemple le plan le plus haut lorsque la croissance se fait du bas vers le haut, comprend essentiellement des atomes de l'élément du groupe III dans le cas de la polarité de l'élément du groupe III ou des atomes de l'élément du groupe V dans le cas de la polarité de l'élément du groupe V.
Les figures 1 à 3 illustrent les structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comprenant des fils en un composé III-V.
La figure 1 représente la structure obtenue après les étapes suivantes :
- formation sur une face 12 d'un substrat 10 d'une couche de germination 14, par exemple par un procédé du type dépôt chimique en phase vapeur (CVD, sigle anglais pour Chemical Vapor Deposition) ou dépôt physique en phase vapeur (PVD, sigle anglais pour Physical Vapor Deposition) ;
- formation d'une couche de passivation de croissance 16 sur la couche de germination 14, par exemple par CVD ; et
- formation d'ouvertures 18 dans la couche de passivation de croissance 16, trois ouvertures 18 étant représentée à titre d'exemple sur les figures 1 à 3, par exemple par une gravure anisotrope, notamment une gravure ionique réactive ou RIE (sigle anglais pour Reactive Ion Etching), une gravure au plasma couplé par induction ou gravure ICP (sigle anglais pour inductively coupled plasma) ou une gravure chimique.
La section droite des ouvertures 18 peut correspondre à la section droite souhaitée des fils 22 ou peut être différente de la section droite des fils qui sera obtenue. Le diamètre moyen des fils 22 peut être égal ou un supérieur au diamètre moyen des ouvertures 18.
Le substrat 10 peut correspondre à une structure monobloc ou correspondre à une couche recouvrant un support constitué d'un autre matériau. Le substrat 10 est de préférence un substrat semiconducteur, par exemple un substrat en silicium, en germanium, en carbure de silicium, en un composé III-V, tel que du GaN ou du GaAs, ou un substrat en ZnO. De préférence, le substrat 10 est un substrat de silicium monocristallin. De préférence, il s'agit d'un substrat semiconducteur compatible avec les procédés de fabrication mis en oeuvre en microélectronique. Le substrat 10 peut correspondre à une structure multicouches de type silicium sur isolant, également appelée SOI (acronyme anglais pour Silicon On Insulator). A titre de variante, le substrat peut être isolant, par exemple en saphir ou en spinelle.
La couche de germination 14 est en un matériau favorisant la croissance des fils. A titre d'exemple, le matériau composant la couche de germination 14 peut être un nitrure, un carbure ou un borure d'un métal de transition de la colonne IV, V ou VI du tableau périodique des éléments ou une combinaison de ces composés. A titre d'exemple, la couche de germination 14 peut être en nitrure d'aluminium (AlN), en bore (B), en nitrure de bore (BN), en titane (Ti), en nitrure de titane (TiN), en tantale (Ta), en nitrure de tantale (TaN), en hafnium (Hf), en nitrure d'hafnium (HfN), en niobium (Nb), en nitrure de niobium (NbN), en zirconium (Zr), en borate de zirconium (ZrB2), en nitrure de zirconium (ZrN), en carbure de silicium (SiC), en nitrure et carbure de tantale (TaCN), en nitrure de magnésium sous la forme MgxNy, où x est environ égal à 3 et y est environ égal à 2, par exemple du nitrure de magnésium selon la forme Mg3N2 ou du nitrure de gallium et de magnésium (MgGaN), en tungstène (W), en nitrure de tungstène (WN) ou en une combinaison de ceux-ci. La couche de germination 14 peut avoir une structure monocouche ou correspondre à un empilement d'au moins deux couches, chaque couche étant par exemple dans l'un des matériaux décrits précédemment.
Selon un autre mode de réalisation, la couche de germination 14 peut ne pas être présente. Selon un autre mode de réalisation, la couche de germination 14 peut être remplacée par des plots de germination, par exemple formés dans les ouvertures 18.
Le matériau composant la couche de germination 14 peut être un matériau favorisant la croissance des fils selon la polarité de l'élément du groupe III ou la croissance de fils selon la polarité de l'élément du groupe V.
La couche de passivation de croissance 16 peut être en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium (SiO2), en nitrure de silicium (SixNy, où x est environ égal à 3 et y est environ égal à 4, par exemple du Si3N4), en oxynitrure de silicium (notamment de formule générale SiOxNy, par exemple du Si2ON2), en oxyde d'aluminium (Al2O3), en oxyde d'hafnium (HfO2) ou en diamant. La couche de passivation de croissance 16 peut avoir une structure monocouche ou correspondre à un empilement de deux couches ou de plus de deux couches. Lorsque la couche de passivation de croissance 16 correspond à un empilement d'au moins deux couches, la couche supérieure de l'empilement est de type isolante, par exemple en un matériau diélectrique. La ou les couches inférieures de l'empilement entre la couche de germination 14 et la couche supérieure isolante peuvent être en matériau diélectrique. A titre de variante, la ou les couches inférieures peuvent être en un matériau semiconducteur ou métallique, par exemple en nitrure d'aluminium (AlN), en bore (B), en nitrure de bore (BN), en titane (Ti), en nitrure de titane (TiN), en tantale (Ta), en nitrure de tantale (TaN), en hafnium (Hf), en nitrure d'hafnium (HfN), en niobium (Nb), en nitrure de niobium (NbN), en zirconium (Zr), en borate de zirconium (ZrB2), en nitrure de zirconium (ZrN), en carbure de silicium (SiC), en nitrure et carbure de tantale (TaCN), en tungstène (W) ou nitrure de tungstène (WN).
La figure 2 représente la structure obtenue après la croissance dans les ouvertures 18, au contact de la couche de germination 14, de germes 20 du même composé III-V que les fils, par exemple par MOCVD.
La figure 3 représente la structure obtenue après la croissance de fils 22 à partir des germes 20, chaque fil 22 s'étendant depuis le substrat 10 au travers de l'une des ouvertures 18. Chaque fil 22 s'étend selon un axe A sensiblement rectiligne et sensiblement perpendiculaire à la face 12.
Chaque fil 22 peut comprendre une portion inférieure 24, la plus proche du substrat 10, se prolongeant par une portion supérieure 26. La portion inférieure 24 comprend un coeur 28 comprenant le matériau III-V dopé avec un dopant d'un premier type de conductivité, par exemple de type N, et une couche 30 recouvrant la paroi latérale du coeur 28, comprenant le dopant à plus de 30 % en masse, éventuellement avec l'élément du groupe III ou avec l'élément du groupe V. La portion supérieure 26 est composée du matériau III-V, non intentionnellement dopé. Selon un mode de réalisation, la portion supérieure 26 peut ne pas être présente. Les portions inférieures 24 des fils 22 sont formées dans une première phase de croissance et les portions supérieures 26 des fils 22 sont formées dans une deuxième phase de croissance.
Le procédé de croissance des germes 20 et des fils 22 est un procédé MOCVD, également connu sous le nom d'épitaxie organométallique en phase vapeur (ou MOVPE, acronyme anglais pour Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy). Les conditions de croissance des germes 20 sont différentes de celles des fils 22, les conditions de croissance des germes 20 favorisant la croissance du composé III-V sur la couche de germination 14 sans favoriser une direction de croissance particulière. Selon un autre mode de réalisation, l'étape de croissance des germes 20 n'est pas présente et les fils 22 sont formés directement sur la couche de germination 14 dans les ouvertures 18.
A titre d'exemple, le procédé peut comprendre l'injection dans un réacteur d'un précurseur d'un élément du groupe III et d'un précurseur d'un élément du groupe V. Des exemples de précurseurs d'éléments du groupe III sont le triméthylgallium (TMGa), le triéthylgallium (TEGa), le triméthylindium (TMIn) ou le triméthylaluminium (TMAl). Des exemples de précurseurs d'éléments du groupe V sont l'ammoniac (NH3), le tertiarybutylphoshine (TBT), l'arsine (AsH3), ou le diméthylhydrazine asymétrique (UDMH).
Selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur lors de la croissance des germes 20 est inférieure ou égale à 1000 °C, de préférence inférieure ou égale à 820°C.
Selon un mode de réalisation, le rapport entre le flux du gaz précurseur de l'élément du groupe V et le flux du gaz précurseur de l'élément du groupe III, ou rapport V/III, pour la formation des germes 20 est supérieur ou égal à 1000, de préférence supérieur ou égal à 5000.
De préférence, la température dans le réacteur à l'étape de formation des germes 20 est inférieure à la température dans le réacteur à l'étape de formation des fils 22. De préférence, le rapport V/III à l'étape de formation des germes 20 est supérieur au rapport V/III à l'étape de formation des fils 22.
Selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur à l'étape de formation des fils 22 est supérieure ou égale à 950 °C, de préférence supérieure ou égale à 1000 °C, plus préférentiellement supérieure à 1050 °C, par exemple environ 1095 °C.
Selon un mode de réalisation, le rapport V/III à l'étape de formation des fils 22 est inférieur ou égal à 100, de préférence inférieur ou égal à 50, plus préférentiellement inférieur ou égal à 20, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 10, par exemple environ 5.
Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur à l'étape de formation des fils 22 est comprise entre 666 Pa (5 Torr) et 199984 Pa (1500 Torr).
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins dans la première phase de croissance des fils 22 du composé III-V, un précurseur d'un élément supplémentaire est ajouté en excès en plus des précurseurs du composé III-V. L'élément supplémentaire peut être le silicium (Si). Des exemples de précurseurs du silicium sont le silane (SiH4), le disilane (S2H6) et le dichlorosilane (SiH2Cl2).
Selon un mode de réalisation de l'invention, le rapport entre le flux du gaz précurseur de l'élément du groupe V et le flux du gaz précurseur de l'élément supplémentaire est inférieur ou égal à 1000, de préférence inférieur ou égal à 500, plus préférentiellement inférieur ou égal à 200, par exemple environ 140. Le flux du gaz précurseur est celui qui permettrait l'obtention d'une concentration de dopants dans le coeur 28 de la portion inférieure 24 du fil 22 supérieure à 5.1019atomes/cm3, de préférence supérieure à 1020atomes/cm3, si tout le dopant était incorporé dans le coeur 28 de la partie inférieure 24 du fil 22. Toutefois, comme la phase de croissance de la portion inférieure 24 entraîne la formation de la couche 30 contenant une proportion importante du dopant, la concentration de dopants dans le coeur 28 réellement obtenue est inférieure à 1020atomes/cm3.
Selon un mode de réalisation, lors de la croissance des germes 20 et des fils 22, un gaz porteur qui assure la diffusion des précurseurs organométalliques jusque dans le réacteur peut être utilisé. Le gaz porteur peut comprendre un gaz neutre ou un mélange de gaz neutre, notamment un mélange d'azote (N2) et de dihydrogène (H2). Le gaz porteur peut se charger en précurseur organométallique dans un bulleur. Selon un mode de réalisation, la concentration en volume du dihydrogène dans le gaz porteur est comprise entre 0 % et 100 %, par exemple environ 20 %.
Le rapport entre le flux du gaz porteur et le flux du gaz précurseur de l'élément du groupe III est inférieur à 100, par exemple égal à 10. Le rapport entre le flux du gaz précurseur de l'élément supplémentaire et le flux du gaz porteur est inférieur à 1000000, par exemple égal à 1300.
La présence de silane parmi les gaz précurseurs entraîne l'incorporation de silicium au sein du composé GaN. En outre, ceci se traduit par la formation de la couche 30 de nitrure de silicium qui recouvre le pourtour de la portion inférieure 24, à l'exception du sommet au fur et à mesure de la croissance de la portion inférieure 24 du fil 22.
Pour la croissance de la portion supérieure 26, les conditions de fonctionnement du réacteur MOCVD décrites précédemment sont, à titre d'exemple, maintenues à l'exception du fait que le flux de silane dans le réacteur est réduit, par exemple d'un facteur supérieur ou égal à 10, ou arrêté. Même lorsque le flux de silane est arrêté, une portion active peut être dopée de type N en raison de la diffusion dans cette portion active de dopants provenant des portions passivées adjacentes ou en raison du dopage résiduel du GaN.
Des essais ont été réalisés. Des premier, deuxième ou troisième substrats ont été utilisés. Le premier substrat correspond à un support en saphir recouvert d'une couche de GaN, favorisant la croissance de GaN suivant la polarité métal. Le deuxième substrat correspond à un support en silicium recouvert d'une couche de germination en AlN, favorisant la croissance de GaN suivant la polarité métal. Le troisième substrat correspond à un substrat favorisant la croissance de GaN suivant la polarité azote. La couche de passivation de croissance 16 comprenait un empilement d'une couche de Si3N4ayant une épaisseur de 80 nm et une couche de SiO2ayant une épaisseur de 50 nm. Les ouvertures 18 avaient une section droite circulaire. Les ouvertures 18 étaient disposées en rangées et en colonnes. Trois procédés MOCVD avec différentes valeurs de paramètres ont été mis en oeuvre. Sauf indications contraires, dans les essais qui suivent les valeurs des paramètres des procédés sont celles indiquées dans le tableau 1 ci-après.
Procédé P1 Procédé P2 Procédé P3
Température (°C) 1095 1017 1095
Durée (s) 480 481 150
Pression (Pa) 13,33 56,67 13,33
Gaz porteur N2, H2 N2, H2 N2, H2
Gaz précurseur du Ga TMGa TMGa TMGa
Gaz précurseur dopant SiH4 SiH4 SiH4
Flux du gaz précurseur du Ga (µmol/min) 2336 2225 3518
Rapport V/III 5 11 5
Rapport H2/(H2+N2) (%) 10 40 20
Rapport flux précurseur Ga/ flux précurseur dopant 38378 3253 138
Tableau 1
Procédé P 1 de comparaison
Le procédé P1 correspond à un procédé connu de formation de nanofils appelé procédé à bas flux ou LF (sigle anglais pour Low-Flow). Il s'agit d'un procédé MOCVD qui permet de former des fils en GaN seulement de polarité Ga. Lors de la mise en oeuvre du procédé P1, la couche de germination 14 favorise donc la croissance des fils de polarité Ga.
La figure 4 est une image obtenue par microscopie électronique à balayage de fils 22 fabriqués selon le procédé P1 lorsque le diamètre moyen de chaque fil 22 était de 350 nm et lorsque l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était de 800 nm. Le troisième substrat a été utilisé. Comme cela apparaît sur la figure 4, les dimensions des fils 22 obtenus, notamment le diamètre moyen et la hauteur, ne sont pas uniformes.
Les figures 5, 6 et 7 sont chacune une vue de dessus obtenue par microscopie électronique à balayage de fils 22 fabriqués selon le procédé P1 lorsque le diamètre moyen des ouvertures 18 était respectivement de 100 nm, 150 nm et 200 nm et lorsque l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était respectivement de 400 nm, 330 nm et 800 nm. Le premier substrat a été utilisé. Comme cela apparaît sur ces figures, le nombre de défauts augmente lorsque le diamètre moyen des ouvertures 18 augmente.
La figure 8 est une image obtenue par microscopie électronique à balayage de fils 22 fabriqués selon procédé P1 lorsque le diamètre moyen de chaque fil 22 était de 420 nm, lorsque l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était de 800 nm. Le deuxième substrat a été utilisé. Comme cela apparaît sur la figure 8, des blocs 32 de GaN se forment lorsque l'écart de maille augmente.
Les figures 9 et 10 sont chacune une vue obtenue par microscopie électronique à balayage de fils 22 fabriqués selon le procédé P1 lorsque le diamètre moyen des ouvertures 18 était respectivement de 100 nm, que l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était de 300 nm et lorsque les durées du traitement étaient respectivement de 2 minutes et de 30 minutes. Le premier substrat a été utilisé. Comme cela apparaît sur les figures 9 et 10, au-delà d'une certaine durée de l'ordre de 5 minutes, la longueur des fils 22 augmente peu et des blocs 32 de GaN se forment. Le procédé P1 ne permet donc pas d'obtenir des fils de hauteur supérieure à 800 nm.
Procédé P2 de comparaison
Le procédé P2 correspond à un procédé connu de formation de nanofils tel que celui décrit dans le brevet US9245948. Le procédé P2 est un procédé MOCVD qui permet de former des fils en GaN seulement de polarité N. Le troisième substrat a été utilisé. La couche de germination favorise donc la croissance des fils 22 de polarité N. Le procédé P2 donne des résultats satisfaisants pour des densités faibles de fils 22, notamment inférieure à 5 %, mais n'est pas adapté aux densités de fils plus élevées. Pour le procédé P2, le flux du précurseur de l'élément supplémentaire, ici le SiH4, est choisi pour obtenir une concentration du dopant Si dans la portion inférieure 24 du fil 22 de 1019atomes/cm3si la portion inférieure 24 avait une composition homogène.
La figure 11 est une image par microscopie électronique à balayage obtenue avec le procédé P2 lorsque le diamètre moyen de chaque fil était de 350 nm et lorsque l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était de 800 nm, ce qui correspond à une densité visée de fils de 20 % environ. Comme cela apparaît sur la figure 11, pour de nombreuses ouvertures 18, il n'y a pas croissance de fils 22. Un taux de remplissage inférieur à 50 % est obtenu.
Procédé P3
Le procédé P3 correspond à un mode de réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 12 est une image par microscopie électronique à balayage obtenue avec le procédé P3, lorsque le premier substrat a été utilisé. Le premier substrat favorise la croissance des fils de polarité Ga. Le diamètre moyen de chaque fil était de 220 nm et l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était de 400 nm. Il n'y a pas de défaut visible.
La figure 13 est une image par microscopie électronique à balayage obtenue avec le procédé P3, lorsque le troisième substrat, favorisant alors la croissance des fils de polarité N, a été utilisé. Le diamètre moyen de chaque fil était de 540 nm et l'écart entre deux ouvertures 18 adjacentes d'une même rangée était de 800 nm environ. Peu de défauts sont visibles et un taux de croissance, correspondant au nombre de fils croissant dans chaque ouverture, supérieur à 95 % est obtenu.
Un exemple d'application des dispositifs à fils décrits précédemment concerne les dispositifs optoélectroniques. Des exemples de dispositifs optoélectroniques comprennent les dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes, les dispositifs dédiés à la détection ou la mesure d’un rayonnement électromagnétique ou des dispositifs dédiés aux applications photovoltaïques.
La figure 14 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 35 à diodes électroluminescentes.
En figure 14, on a représenté une structure comprenant, du bas vers le haut :
- le substrat semiconducteur 10 ;
- la couche de germination 14 en un matériau favorisant la croissance de fils et disposée sur la face 12 ;
- la couche de passivation de croissance 16 recouvrant la couche de germination 14 et comprenant les ouvertures 18 exposant des portions de la couche de germination 14 ;
- des fils 22, un fil étant représenté, chaque fil 22 se projetant depuis l'une des ouvertures 19 ;
- pour chaque fil 22, une coque 40 comprenant un empilement de couches semiconductrices recouvrant les faces latérales et la face supérieure du fil 22 ;
- une couche isolante 42 s'étendant sur les flancs latéraux d'une portion inférieure de la coque 40 et sur la couche de passivation de croissance 16 entre les fils 22 ; et
- une couche 44 formant une électrode recouvrant chaque coque 40 et s'étendant, en outre, sur la couche isolante 42.
L'ensemble formé par chaque fil 22 et la coque 40 associée constitue une diode électroluminescente. La coque 28 peut comprendre un empilement de plusieurs couches comprenant notamment une couche active 46 et une couche de liaison 48. La couche active est la couche depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement fourni par la diode électroluminescente DEL. Selon un exemple, la couche active 44 peut comporter des moyens de confinement, tels que des puits quantiques multiples. La couche de liaison peut comprendre un empilement de couches semiconductrices du même matériau III-V que le fil 22 mais du type de conductivité opposé.
La figure 15 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 50 à diodes électroluminescentes dans lequel, par rapport au dispositif optoélectronique 35 représenté en figure 14, la coque 38 et l'électrode 40 ne sont présentes qu'au sommet du fil 22.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à l’homme de l’art. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l’homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d'un dispositif comprenant des fils (22) de taille micrométrique ou nanométrique comprenant un composé III-V, comprenant, pour chaque fil, la formation d'au moins une portion (24) du fil par une étape d'épitaxie organométallique en phase vapeur comprenant l'injection dans un réacteur d'un premier gaz précurseur de l'élément du groupe V, d'un deuxième gaz précurseur de l'élément du groupe III et d'un troisième gaz précurseur d'un élément supplémentaire, dopant du composé III-V, en un gaz adapté pour obtenir une concentration de dopants supérieure à 5.1019atomes/cm3, par exemple supérieure à 1.1020atomes/cm³, dans la portion du fil dans le cas où la portion a une concentration de dopants homogène.
  2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la concentration de dopants à la surface de la portion du fil est supérieure à 1.1020atomes/cm3et/ou la portion du fil est recouverte d'une couche d'un matériau différent du composé III-V et contenant l'élément supplémentaire.
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre le flux du premier gaz précurseur et le flux du troisième gaz précurseur est inférieur ou égal à 1000, par exemple égal à 130.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température dans le réacteur à l'étape de formation de ladite portion (24) est supérieure ou égale à 950 °C.
  5. Procédé la revendication 3, dans lequel la température dans le réacteur à l'étape de formation de ladite portion (24) est supérieure ou égale à 1000 °C.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le rapport V/III à l'étape de formation de ladite portion (24) est inférieur ou égal à 100.
  7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le rapport V/III à l'étape de formation de ladite portion (24) est inférieur ou égal à 50, par exemple égal à 5.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant l'injection dans un réacteur d'un gaz neutre et dans lequel le rapport entre le flux du gaz neutre et le flux du deuxième gaz précurseur à l'étape de formation de ladite portion (24) est inférieur à 100, par exemple égal à 10.
  9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le rapport entre le flux du troisième gaz précurseur et le flux du deuxième gaz précurseur est inférieur à 1000, par exemple égal à 130.
  10. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le rapport entre le flux du troisième gaz précurseur et le flux du gaz neutre est inférieur à 1000000, par exemple égal à 1300.
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