FR2968830A1 - Couches matricielles ameliorees pour le depot hetecouches matricielles ameliorees pour le depot heteroepitaxial de materiaux semiconducteurs de nitrure iii en utilisant des procedes hvpe - Google Patents
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Abstract
Les procédés de dépôt de matériaux semiconducteurs de nitrure III sur des substrats comprennent le dépôt d'une couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur une surface d'un substrat dans une étape de nucléation du procédé HVPE pour former une couche de nucléation ayant une microstructure comprenant au moins un matériau semiconducteur de nitrure III amorphe. La couche de nucléation peut être recuite pour former des îlots cristallins du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat. Les îlots du matériau de nucléation épitaxiale peuvent croître et fusionner dans une étape de coalescence du procédé HVPE pour former une couche matricielle de nucléation du matériau de nucléation épitaxiale. La couche matricielle de nucléation peut au moins en grande partie recouvrir la surface du substrat. Un matériau semiconducteur de nitrure III supplémentaire peut être déposé sur la couche matricielle de nucléation du matériau de nucléation épitaxiale dans une autre étape du procédé HVPE. Les structures finales et intermédiaires comprenant le matériau semiconducteur de nitrure III sont formées par de tels procédés.
Description
TITRE
COUCHES MATRICIELLES AMELIOREES POUR LE DEPOT HETEROEPITAXIAL DE MATERIAUX SEMICONDUCTEURS DE NITRURE III EN UTILISANT DES PROCEDES HVPE
DOMAINE En règle générale, les modes de réalisation de l'invention concernent des procédés de dépôt de matériaux de nitrure III sur des substrats, et des structures formées par ces procédés. Plus particulièrement, les modes de réalisation de l'invention concernent des procédés de dépôt de matériaux de nitrure III sur des substrats qui comprennent une couche matricielle de croissance comprenant un matériau de nitrure de métal, et des structures formées par ces procédés.
CONTEXTE Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé chimique qui est utilisé pour déposer des matériaux solides sur des substrats, et est couramment utilisé dans la fabrication d'appareils semi- conducteurs. Dans les procédés de dépôt chimique en phase vapeur, un substrat est exposé à un ou plusieurs gaz réactifs, qui réagissent, se décomposent, ou réagissent et se décomposent à la fois de telle manière que cela entraîne le dépôt d'un matériau solide sur la surface du substrat.
Un type particulier de procédé CVD est nommé dans l'art épitaxie en phase vapeur (VPE). Dans les procédés VPE, un substrat est exposé à une ou plusieurs vapeurs réactives dans une chambre réactionnelle, qui réagissent, se décomposent, ou réagissent et se décomposent à la fois de telle manière que cela entraîne le dépôt épitaxial d'un matériau solide sur la surface du substrat. Les procédés VPE sont souvent utilisés pour déposer des matériaux semi-conducteurs de type III-V. Lorsque l'une des vapeurs réactives dans un procédé VPE comprend une vapeur d'halogénure, le procédé peut être nommé épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE). D'après l'art, on sait former des matériaux semi-conducteurs de nitrure III tels que le nitrure de gallium (GaN) en utilisant des procédés VPE dans lesquels des matériaux précurseurs organométalliques (MO) sont décomposés dans une chambre réactionnelle pour former le matériau semiconducteur de nitrure III. De tels procédés sont souvent nommés procédés d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE), et peuvent également être caractérisés comme étant des procédés de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). De tels procédés MOVPE sont habituellement réalisés en utilisant plusieurs procédés de pré-dépôt séquentiels avant le dépôt du matériau semiconducteur massif de nitrure III souhaité. Ces procédés séquentiels de pré-dépôt peuvent comprendre une cuisson à l'hydrogène à température élevée du substrat de croissance (par exemple un substrat de saphir), une nitruration du substrat de - 2968830 3 croissance, la formation d'une couche matricielle de nucléation d'un matériau de nitrure III à des températures relativement basses sur le substrat de croissance, le recuit de la couche matricielle de 5 nucléation à des températures relativement élevées, la coalescence de la couche matricielle de nucléation, et enfin la croissance de la couche de matériau de nitrure III sur la couche matricielle de nucléation. Les procédés HVPE sont également utilisés pour 10 former des matériaux semiconducteurs de nitrure III tels que le nitrure de gallium (GaN). Dans de tels procédés, la croissance épitaxiale de GaN sur un substrat peut être due à une réaction en phase vapeur entre le chlorure de gallium (GaCl) et de l'ammoniac 15 (NH3) qui est réalisée dans une chambre réactionnelle à des températures élevées comprises entre environ 500 °C et environ 1000 °C. Le NH3 peut être fourni par une source standard de NH3 gazeux. Dans certains procédés, la vapeur de GaCl est fournie en faisant passer du 20 chlorure d'hydrogène (HC1) gazeux (qui peut être fourni par une source standard d'HCl gazeux) sur du gallium (Ga) liquide chauffé pour former in situ du GaCl dans la chambre réactionnelle. Le gallium liquide peut être chauffé à une température comprise entre environ 750 °C 25 et environ 850 °C. Le GaCl et le NH3 peuvent être dirigés vers (par exemple, sur) une surface d'un substrat chauffé, telle qu'une tranche de matériau semi-conducteur. Le brevet US n° 6 179 913, délivré le 30 janvier 2001 au nom de Solomon et al., décrit un 30 système d'injection de gaz pour une utilisation dans ces systèmes et procédés. Les procédés HVPE sont actuellement très utilisés pour la croissance de couches de GaN relativement épaisses sur du saphir, principalement en raison des 35 vitesses de croissance relativement rapides qui peuvent 296883'0 4 être obtenues avec les procédés HVPE, les vitesses de croissance étant comprises dans la plage allant de dizaines à des centaines de micromètres par heure. La croissance de couches de GaN épaisses en utilisant les 5 procédés HVPE nécessite toutefois, en général, des couches matricielles de GaN dont la croissance s'est faite par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). Sans de telles couches matricielles de GaN, les couches de GaN qui se sont 10 développées directement sur le saphir se craquellent lorsque l'épaisseur excède une certaine valeur.
BREF RÉSUMÉ Ce résumé sert à introduire une sélection de 15 concepts d'une forme simplifiée, ces concepts étant davantage décrits dans la description, détaillée ci-dessous de certains exemples de modes de réalisation de la présente invention. Ce résumé n'a pas pour but d'identifier les caractéristiques clés ou les 20 caractéristiques essentielles du sujet revendiqué, ni pour but d'être utilisé pour limiter la portée du sujet revendiqué. Il serait souhaitable de proposer des procédés et des systèmes qui peuvent être utilisés pour former des 25 couches relativement épaisses de matériaux semiconducteurs de type III-V, tels qu'un matériau semiconducteur de nitrure III (par exemple GaN) directement sur des substrats non natifs, tels que le saphir, en utilisant des procédés HVPE. 30 Dans certains modes de réalisation, la présente invention concerne des procédés de dépôt de matériaux semiconducteurs de nitrure III sur des substrats. De tels procédés peuvent impliquer l'utilisation d'un précurseur de trichlorure de métal et/ou d'un 35 précurseur de tétrachlorure de métal. Selon ces procédés, une couche de matériau semiconducteur de nitrure III est déposée sur une surface d'un substrat dans une étape de nucléation du procédé HVPE pour former une couche de nucléation ayant une nanostructure comprenant au moins des cristallites de wurtzite et des matériaux semiconducteurs de nitrure III amorphes. La couche de nucléation est recuite pour former des îlots cristallins d'au moins essentiellement un matériau de nucléation de wurtzite sur la surface du substrat. Les îlots d'au moins essentiellement un matériau de nucléation de wurtzite se développent et fusionnent dans une étape de fusion du procédé HVPE pour former une couche matricielle de nucléation d'au moins essentiellement un matériau de nucléation de wurtzite.
La couche matricielle de nucléation peut au moins sensiblement recouvrir la surface du substrat. Plus de matériau semiconducteur de nitrure III est déposé sur la couche matricielle de nucléation d'au moins essentiellement un matériau de nucléation de wurtzite dans une autre étape du procédé HVPE. D'autres modes de réalisation de l'invention comprennent les structures finales et intermédiaires comprenant un matériau semiconducteur de nitrure III qui sont formées en utilisant les procédés décrits ici.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les modes de réalisation de la présente invention peuvent être mieux compris en se référant à la description détaillée suivante d'exemples de modes de réalisation, qui sont illustrés sur les figures jointes, dans lesquelles : la figure 1A est une vue transversale illustrant schématiquement un exemple de mode de réalisation d'un système de dépôt HVPE qui comprend une chambre réactionnelle et au moins un injecteur de gaz et qui peut être utilisée dans les modes de réalisation des procédés de l'invention ; la figure 1B est une vue transversale schématique de la chambre réactionnelle illustrée sur la figure 1A prise le long de la ligne de coupe 1B-1B illustrée sur celle-ci ; la figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un injecteur de gaz de thermalisation qui peut être utilisé dans le système de dépôt de la figure 1A ; la figure 3 illustre schématiquement un autre exemple de mode de réalisation d'un injecteur de gaz qui peut être utilisé dans le système de dépôt de la figure lA ; la figure 4 est une coupe en perspective partielle agrandie d'une partie de l'injecteur de gaz de la figure 3 ; la figure 5 est une vue transversale simplifiée d'un substrat qui peut être utilisé selon les modes de 20 réalisation des procédés de l'invention ; la figure 6 est une vue transversale simplifiée illustrant une couche de nucléation déposée sur le substrat de la figure 5 qui comprend des régions amorphes et cristallines dans une microstructure de 25 celle-ci ; la figure 7 est une vue transversale simplifiée illustrant essentiellement des îlots de nucléation cristallins de matériau de nucléation formés par le recuit de la couche de nucléation illustrée sur la 30 figure 6 ; la figure 8 est une vue transversale simplifiée illustrant la croissance et la coalescence des îlots cristallins de matériau de nucléation illustrés sur la figure 7 pour former une couche matricielle de 35 nucléation ; la figure 9 illustre une couche de surcroissance latérale de matériau semiconducteur de nitrure III formée pour provoquer une croissance préférentielle latérale du matériau semiconducteur de nitrure III à partir des facettes latérales inclinées des îlots du matériau de nucléation illustrés sur la figure 8 ; la figure 10 illustre une autre couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III formée par croissance verticale du matériau semiconducteur de nitrure III sur la couche de surcroissance latérale de matériau semiconducteur de nitrure III illustrée sur la figure 9 ; les figures 11 à 13 sont des dessins simplifiés illustrant un mécanisme par lequel la couche de nucléation de la figure 6 peut être convertie en îlots de matériau de nucléation tels que ceux illustrés sur la figure 7 ; la figure 11 est une illustration simplifiée de la façon dont une microstructure de la couche de nucléation de la figure 6 peut apparaître avant le recuit de la couche de nucléation pour former les îlots de matériau de nucléation illustrés sur la figure 7, et illustre des régions amorphes et cristallines dans la microstructure de la couche de nucléation ; la figure 12 illustre un mécanisme de décomposition et de redépôt selon lequel le matériau amorphe dans la couche de nucléation de la figure 6 peut être incorporé dans la structure cristalline des régions cristallines de la couche de nucléation pendant la formation des îlots cristallins du matériau de nucléation illustrés sur la figure 7 ; la figure 13 illustre des îlots du matériau de nucléation similaires à ceux de la figure 7, mais ayant des formes différentes, incluant des îlots sans crêtes ou en « forme de mésa » et les îlots pointus « en forme 296883'0 8 de crête », qui peuvent être formés lors du recuit de la couche de nucléation illustrée sur la figure 6 pour former les îlots du matériau de nucléation illustrés sur la figure 7 ; 5 la figure 14 est utilisée pour illustrer la façon dont les dislocations traînantes peuvent se propager à travers chaque îlot en forme de mésa et chaque îlot en forme de crête et dans le matériau semiconducteur de nitrure III déposé sur les îlots ; 10 la figure 15 est un graphe illustrant la façon dont les variations de certains paramètres du procédé utilisé pendant la formation des îlots du matériau de nucléation de la figure 7 à partir de la couche de nucléation de la figure 6 affectent la hauteur, la 15 densité et la forme des îlots résultants du matériau de nucléation ; la figure 16 est un graphe illustrant la façon dont les variations de certains paramètres du procédé utilisé pendant la formation de la couche matricielle 20 de nucléation de la figure 8 à partir des îlots du matériau de nucléation de la figure 7 affectent la rugosité superficielle, la qualité des cristaux et l'épaisseur moyenne de la couche matricielle de nucléation ; et 25 la figure 17 est un graphe représentant schématiquement un procédé de dépôt qui peut être utilisé pour déposer la couche de nucléation illustrée sur la figure 6 et pour recuire la couche de nucléation pour former les îlots du matériau de nucléation 30 illustrés sur la figure 7 en utilisant un procédé de dépôt HVPE et un système tel que celui illustré sur les figures lA et 1B.
DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION DE 35 L'INVENTION Les illustrations présentées ici ne sont pas les vues réelles d'un composant, dispositif ou système particulier, mais sont simplement des représentations idéalisées qui sont utilisées pour décrire les modes de réalisation de la présente invention. Un certain nombre de références sont citées ici, mais aucune des références citées, quelle que soit la manière dont elles sont caractérisées ici, n'est admise comme art antérieur par rapport à l'invention du sujet revendiqué ici. Comme utilisé ici, le terme « matériau semiconducteur de type III-V » signifie et comprend n'importe quel matériau semiconducteur qui est au moins majoritairement composé d'un ou plusieurs éléments du groupe IIIA du tableau périodique (B, Al, Ga, In et Ti) et d'un ou plusieurs éléments du groupe VA du tableau périodique (N, P, As, Sb et Bi). Par exemple, les matériaux semiconducteurs de type III-V comprennent, sans limitation, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, A1N, A1P, AlAs, InGaN, InGaP, InGaNP, etc. Comme utilisé ici, le terme « matériau semiconducteur de nitrure III » signifie et comprend tout matériau semiconducteur de type III-V qui est au moins majoritairement composé d'un ou plusieurs éléments du groupe IIIA du tableau périodique (B, Al, Ga, In et Ti) et d'azote. Par exemple, les matériaux semiconducteurs de nitrure III comprennent GaN, InN, A1N, InGaN, GaAlN, InAiN, etc. Comme utilisé ici, le terme « nitrure de métal » signifie un composé de métal et d'azote. Les matériaux de nitrure de métal comprennent, sans limitation, le nitrure d'aluminium (A1N), le nitrure de gallium (GaN), le nitrure de gallium aluminium (Al,Gal_,N) et le nitrure de titane (TiN). 296883'0 10 Comme utilisés ici, les termes « dépôt chimique en phase vapeur » et « CVD » sont synonymes et signifient et comprennent tout procédé utilisé pour déposer un ou plusieurs matériaux solides sur un substrat dans une 5 chambre réactionnelle dans laquelle le substrat est exposé à un ou plusieurs gaz réactifs, qui réagissent, se décomposent, ou réagissent et se décomposent à la fois de telle manière que cela entraîne le dépôt du ou des matériaux solides sur une surface du substrat. 10 Comme utilisés ici, les termes « épitaxie en phase vapeur » et « VPE » sont synonymes et signifient et comprennent tout procédé CVD dans lequel le substrat est exposé à un ou plusieurs gaz réactifs, qui réagissent, se décomposent, ou réagissent et se 15 décomposent à la fois de telle manière que cela entraîne le dépôt épitaxial du ou des matériaux solides sur une surface du substrat. Comme utilisés ici, les termes « épitaxie en phase vapeur aux halogénures » et « HVPE » sont synonymes et 20 signifient et comprennent tout procédé VPE dans lequel au moins un gaz réactif utilisé dans le procédé VPE comprend une vapeur d'halogénure. Comme utilisé ici, le terme « organométallique » signifie et comprend tout composé comprenant au moins 25 un élément métallique et une espèce chimique organique. Les organométalliques sont parfois nommés « métallorganiques » et ces termes sont synonymes pour les besoins de cette description. Les organométalliques comprennent, sans limitation, le triméthylgallium 30 (TMG), le triéthylgallium (TEG), le triméthylaluminium (TMA), le triéthylaluminium (TEA), le tétrakisdiéthylaminotitane (TDEAT) et le tétrakis(diméthylamido)titane (TDMAT). Comme utilisés ici, les termes « épitaxie en phase 35 vapeur aux organométalliques » et « MOVPE » sont synonymes et signifient et comprennent tout procédé VPE dans lequel au moins une vapeur réactive utilisée dans le procédé VPE comprend une vapeur organométallique. Comme utilisés ici, les termes « procédé de dépôt chimique en phase vapeur non aux organométalliques » et « procédé non-MOCVD » sont synonymes et signifient et comprennent tout procédé de dépôt qui n'est pas un procédé MOCVD. Comme utilisés ici, les termes « procédé d'épitaxie en phase vapeur non aux organométalliques » et « procédé non-MOVPE » sont synonymes et signifient et comprennent tout procédé de dépôt qui n'est pas un procédé MOVPE. Comme utilisé ici, le terme « gaz » comprend les gaz (fluides qui n'ont ni forme indépendante, ni volume) et les vapeurs (gaz qui comprennent un liquide diffusé ou une matière solide suspendue dans celui-ci) et les termes « gaz » et « vapeur » sont synonymes ici. Les modes de réalisation des procédés de l'invention peuvent comprendre le dépôt de couches matricielles de nucléation et de couches de surcroissance de matériaux semiconducteurs de nitrure III dans des procédés HVPE réalisés en utilisant des systèmes HVPE. Bien que diverses configurations des systèmes HVPE puissent être utilisées dans les modes de réalisation des procédés de l'invention, un exemple de système HVPE qui peut être utilisé dans les modes de réalisation de l'invention est décrit ci-dessous en se référant aux figures 1A, 1B et 2 à 4 avant la description des modes de réalisation des procédés de l'invention. Les figures 1A et 1B sont des illustrations simplifiées illustrant schématiquement un mode de réalisation d'un système de dépôt HVPE (100) qui peut être utilisé dans les modes de réalisation des procédés 2968830, 12 de l'invention, comme décrit ici. Dans des exemples non limitatifs, le système de dépôt (100) peut comprendre un système de dépôt tel que décrit dans la demande de publication de brevet US n° US 2009/0 223 442 Al 5 publiée le 10 septembre 2009 au nom de Arena et al., la demande de brevet US provisoire n° de série 61/157 112 déposée le 3 mars 2009 au nom de Arena et al., et la demande de brevet US n° de série 12/894 724 déposée le 30 septembre 2010 au nom de Bertran. Le système de 10 dépôt (100) illustré sur les figures lA et 1B comprend une chambre réactionnelle (102) et un ou plusieurs injecteurs de gaz qui sont décrits ci-dessous en se référant aux figures 2 à 4. Dans la description suivante du système de 15 dépôt (100) et, plus particulièrement, de la chambre réactionnelle (102) du système de dépôt (100), les termes « longitudinal » et « transversal » sont utilisés pour indiquer les sens relatifs à la chambre réactionnelle (102) d'après les figures 1A et 1B, le 20 sens longitudinal étant le sens vertical par rapport à la figure lA et le sens s'étendant dans le plan de la figure 1B, et les sens transversaux ou latéraux étant ceux s'étendant horizontalement par rapport à chacune des figures 1A et 1B. Les sens transversaux sont 25 également nommés sens s'étendant « d'un côté à l'autre du réacteur ». Le système de dépôt (100) comprend la chambre réactionnelle (102), une structure de support du substrat (104) (par exemple un suscepteur) configurée 30 pour supporter un ou plusieurs substrats à travailler (106) sur lesquels on souhaite déposer ou sinon fournir un matériau du système de dépôt (100). A titre d'exemple non limitatif, la chambre réactionnelle (102) peut avoir une hauteur d'environ 35 deux pouces, une largeur d'environ douze pouces, et une longueur d'environ vingt pouces, et la structure de support du substrat (104) peut être configurée pour supporter un substrat à travailler (106) de huit pouces, un substrat à travailler (106) de six pouces, trois substrats à travailler (106) de quatre pouces ou huit substrats à travailler (106) de deux pouces. Le système de dépôt (100) comprend en outre des éléments chauffants (108) (figure 1B), qui peuvent être utilisés pour chauffer de manière sélective le système de dépôt (100), de sorte qu'une température moyenne dans la chambre réactionnelle (102) peut être contrôlée dans une plage de températures élevées souhaitable pendant les processus de dépôt. Les éléments chauffants (108) peuvent comprendre, par exemple, des éléments chauffants résistants ou des éléments chauffants rayonnants. Comme illustré sur la figure 1B, la structure de support du substrat (104) peut être montée sur un axe (110), qui peut être couplé (par exemple couplé de manière structurelle directement, couplé de manière magnétique, etc.) à un dispositif d'entraînement (112) tel qu'un moteur électrique qui est configuré pour entraîner la rotation de l'axe (110) et, par conséquent, de la structure de support du substrat (104) dans la chambre réactionnelle (102). Dans certains modes de réalisation, un ou plusieurs des chambre réactionnelle (102), structure de support du substrat (104), axe (110) et tout autre composant dans la chambre réactionnelle (102) peuvent être au moins dans l'ensemble constitués d'un matériau céramique réfractaire tel qu'un oxyde de céramique (par exemple la silice (quartz), l'alumine, la zircone, etc.), un carbure (par exemple le carbure de silicium, le carbure de bore, etc.) ou un nitrure (par exemple le nitrure de silicium, le nitrure de bore, etc.).
Le système de dépôt (100) comprend en outre un système d'écoulement de gaz utilisé pour injecter un ou plusieurs gaz dans la chambre réactionnelle (102) et pour éjecter les gaz hors de la chambre réactionnelle (102). En se référant à la figure 1A, le système de dépôt (100) peut comprendre trois conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B, 114C) qui transportent les gaz provenant des sources de gaz respectives (128A, 128B, 128C). Facultativement, des dispositifs (117A, 117B, 117C), qui peuvent comprendre un ou plusieurs des vannes, régulateurs de contre-pression et régulateurs de débit massique, peuvent être utilisés pour contrôler de manière sélective le flux de gaz à travers les conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B, 114C) respectives. Dans certains modes de réalisation, au moins l'une des sources de gaz (128A, 128B) peut comprendre une source externe d'un trichlorure de métal (tel que GaC13, InCl3 ou AlCl3) et/ou d'un tétrachlorure de métal (tel que TiCl4), comme décrit dans la demande de publication de brevet US n° US 2009/0 223 442 Al. GaC13, InCl3 et AlCl3 peuvent exister sous la forme d'un dimère tel que, par exemple Ga2Cl6i In2C16 et Al2C16 respectivement. En conséquence, au moins l'une des sources de gaz (128A, 128B) peut comprendre un dimère tel que Ga2C16, In2Cl6 ou Al2C16. Dans un exemple non limitatif, une ou plusieurs sources de gaz (128A, 128B) peuvent offrir un débit massique de vapeur de GaC13 sous forme de composant précurseur du groupe IIIA. La source de gaz (128C) peut comprendre une source externe d'un précurseur du groupe VA, tel que l'ammoniac (NH3). Dans les modes de réalisation dans lesquels une ou plusieurs des sources de gaz (128A, 128B) sont ou comprennent une source de GaCl3r la source de GaC13 comprend un réservoir de GaCl3 liquide maintenu à une température d'au moins 120 °C (par exemple d'environ 130 °C) et peut comprendre un moyen physique pour améliorer la vitesse d'évaporation du GaC13 liquide. Un tel moyen physique peut comprendre, par exemple, un dispositif configuré pour agiter le GaCl3 liquide, un dispositif configuré pour pulvériser le GaC13 liquide, un dispositif configuré pour faire circuler un gaz vecteur rapidement sur le GaC13 liquide, un dispositif configuré pour faire barboter un gaz vecteur dans le GaCl3 liquide, un dispositif, tel qu'un dispositif piézoélectrique, configuré pour disperser par ultrasons le GaC13 liquide, et analogue. Comme exemple non limitatif, un gaz vecteur, tel que He, N2, H2 ou Ar, ou un mélange de ceux-ci (par exemple un mélange de N2 et H2) peut être mis à barboter dans le GaC13 liquide, tandis que le GaC13 liquide est maintenu à une température d'au moins 120 °C, de sorte que le gaz source peut comprendre un ou plusieurs gaz vecteurs. La circulation de la vapeur de GaC13 dans un ou plusieurs injecteurs de gaz (150A, 150B) peut être contrôlée dans certains modes de réalisation de l'invention. Par exemple, dans des modes de réalisation dans lesquels un gaz vecteur est mis à barboter dans le GaCl3 liquide, la circulation de GaC13 à partir de la source de gaz (128A, 128B, 128C) dépend d'un ou plusieurs facteurs, y compris par exemple la température du GaC13, la pression au-dessus du GaC13 et la circulation du gaz vecteur qui barbote dans le GaC13. Alors que le débit massique de GaC13 peut être, en principe, contrôlé par l'un quelconque de ces paramètres, dans certains modes de réalisation, le débit massique de GaC13 peut être contrôlé en faisant varier la circulation du gaz vecteur en utilisant un régulateur de débit massique. 296883'0, 16 Dans certains modes de réalisation, les températures des conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B) peuvent être contrôlées entre les sources de gaz (128A, 128B) et les injecteurs de gaz (150A, 150B). 5 Les températures des conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B) et des capteurs, régulateurs de débit massique et analogues associés peuvent augmenter progressivement d'une première température (par exemple d'environ 120 °C ou plus) à la sortie des sources de gaz (128A, 10 128B) respectives jusqu'à une seconde température (par exemple d'environ 160 °C ou moins) au niveau des injecteurs de gaz (150A, 150B) afin d'empêcher la condensation des gaz (par exemple la vapeur de GaC13) dans les conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B) et 15 analogues. Facultativement, la longueur des conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B) entre les sources de gaz (128A, 128B) respectives et les injecteurs de gaz (150A, 150B) peut être d'environ trois pieds ou moins, d'environ deux pieds ou moins, ou même d'environ 20 un pied ou moins. La pression des gaz sources peut être contrôlée en utilisant un ou plusieurs systèmes de contrôle de pression. Chacune des deux conduites d'arrivée de gaz (114A, 114B) peut facultativement s'étendre vers l'un des deux 25 injecteurs de gaz (150A, 150B) respectifs, qui sont décrits plus en détail ci-dessous. Dans d'autres modes de réalisation, le système de dépôt (100) peut comprendre moins de deux (par exemple un(e)) conduites d'arrivée de gaz et injecteurs de gaz 30 respectifs, ou le système de dépôt (100) peut comprendre plus de deux (par exemple trois, quatre, cinq, etc.) conduites d'arrivée de gaz et injecteurs de gaz respectifs. Dans le mode de réalisation des figures lA et 1B, 35 les injecteurs de gaz (150A, 150B) sont entièrement situés à l'extérieur de la chambre réactionnelle (102). Cependant, dans d'autres modes de réalisation, les injecteurs de gaz (150A, 150B) peuvent être entièrement placés à l'intérieur de la chambre réactionnelle (102) ou au moins une partie des injecteurs de gaz (150A, 150B) peut se prolonger au moins partiellement dans la chambre réactionnelle (102). Le système de dépôt (100) peut en outre comprendre trois évents (116A, 116B, 116C) qui offrent une communication fluide entre l'extérieur et l'intérieur de la chambre réactionnelle (102). Chaque évent (116A, 116B, 116C) peut offrir une communication fluide par l'intermédiaire d'une paroi, du plafond et/ou du fond de la chambre réactionnelle (102) entre l'un des injecteurs de gaz (150A, 150B) respectifs et l'une des conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) respectives dans la chambre réactionnelle (102). Les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) dans la chambre réactionnelle (102) peuvent être utilisées pour transporter les gaz vers les sites souhaités dans l'enceinte. Les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) peuvent être situées et configurées pour injecter des gaz à l'intérieur de la chambre réactionnelle (102) selon des sens choisis par rapport aux substrats à travailler (106) portés par la structure de support du substrat (104). Les gaz transportés par les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C), tels que les gaz précurseurs et les gaz vecteurs, peuvent circuler dans le sens longitudinal à travers la chambre réactionnelle (102) (sens vertical par rapport à la figure 1A) et peuvent être injectés dans des sens se prolongeant vers les substrats à travailler (106) de manière longitudinale dans la chambre réactionnelle (102), les sens étant orientés au moins dans l'ensemble parallèlement aux 296,8830, 18 surfaces principales exposées supérieures des substrats à travailler (106). Les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) peuvent être supportées et maintenues en place dans la chambre réactionnelle (102) 5 en utilisant des supports de conduite. L'agencement et la configuration particuliers des conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) est simplement un ou une des nombreux agencements et configurations qui peuvent être utilisés dans les modes 10 de réalisation de l'invention, et d'autres modes de réalisation des chambres réactionnelles {102) peuvent avoir des configurations et des agencements différents des conduites de dispersion de gaz dans la chambre réactionnelle (102). 15 Les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) peuvent être activement chauffées, passivement chauffées ou chauffées de manière passive et active. Par exemple, les éléments de production de chaleur (non illustrés) peuvent être positionnés de manière 20 adjacente à au moins une partie des conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C). Dans certains modes de réalisation, les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C) sont chauffées par les éléments chauffants (108) (figure 1B). Facultativement, les 25 structures de transfert thermique passif (par exemple les structures comprenant des matériaux qui se comportent de manière similaire à un corps noir) peuvent être situées de manière adjacente à ou proche d'au moins une partie des conduites de dispersion de 30 gaz (118A, 118B, 118C) dans la chambre réactionnelle (102) pour améliorer le transfert de chaleur vers les conduites de dispersion de gaz (118A, 118B, 118C). Les structures de transfert thermique passif (par 35 exemple les structures comprenant des matériaux qui se comportent de manière similaire à un corps noir) peuvent être présentes dans la chambre réactionnelle (102) comme décrit par exemple dans la demande de publication de brevet US n° US 2009/0 214 785 Al, qui a été publiée le 27 août 2009 au nom de Arena et al. Par exemple, une plaque de transfert thermique (124) (représentée sur les figures lA et 1B par une ligne en pointillé) peut être placée dans la chambre réactionnelle (102) de sorte que la plaque de transfert thermique (124) se prolonge à travers la chambre réactionnelle (102) sur la structure de support du substrat (104) et les substrats à travailler (106) supportés par la structure de support du substrat (104). La plaque de transfert thermique (124) peut faciliter dans un procédé de thermalisation, la circulation des gaz à proximité de la plaque de transfert thermique (124) en absorbant le rayonnement des éléments chauffants (tels que les éléments chauffants (108)) et en irradiant de nouveau la chaleur absorbée dans les gaz du procédé. Une telle structure de transfert thermique passif peut améliorer le transfert de chaleur à l'intérieur de la chambre réactionnelle (102), et peut améliorer l'homogénéité et la consistance de la température dans la chambre réactionnelle (102). Les structures de transfert thermique passif peuvent comprendre des matériaux ayant des valeurs d'émissivité élevées (proches de l'unité) (matériaux de corps noir) qui sont également capables de supporter une température élevée, les environnements corrosifs que l'on peut rencontrer dans le système de dépôt (100). Ces matériaux peuvent comprendre par exemple le nitrure d'aluminium (AIN), le carbure de silicium (SiC) et le carbure de bore (B4C) qui ont respectivement des valeurs d'émissivité de 0, 98, 0,92 et 0, 92.
Les sous-produits gazeux, les gaz vecteurs et tout gaz précurseur en excès peuvent être évacués hors de la chambre réactionnelle (102) par l'intermédiaire d'un orifice de sortie de la chambre (126).
Comme mentionné précédemment, un ou plusieurs injecteurs de gaz (150A, 150B) du système de dépôt (100) des figures lA et 1B peuvent être ou comprendre un injecteur de gaz comme décrit plus en détail ci-dessous en se référant aux figures 2 à 4.
Dans certains modes de réalisation, les injecteurs de gaz (150A, 150B) peuvent comprendre des injecteurs de gaz tels que ceux décrits dans la demande internationale WO 2010/101 715 Al, publiée le 10 septembre 2010 au nom de Arena et al. Par exemple, la figure 2 est une vue en perspective d'un injecteur de gaz de thermalisation (160), qui peut être utilisé pour un ou les deux injecteurs de gaz (150A, 150B) illustrés sur la figure 1A. Comme illustré sur la figure 2, l'injecteur de gaz (160) comprenant une conduite (162) qui comprend une partie d'entrée (164), une partie centrale hélicoïdale (166) et une partie de sortie (168). Un gaz source (par exemple GaC13), un gaz vecteur (par exemple H2, N2, etc.) ou un mélange d'un gaz source et d'un gaz vecteur peut être approvisionné à la partie d'entrée (164). Le gaz ou les gaz s'écoulent de la partie d'entrée (164), à travers la partie centrale hélicoïdale (166) vers la partie de sortie (168) et dans la chambre réactionnelle (102) (figure lA). Au moins la partie centrale hélicoïdale (166) de la conduite (162) peut être chauffée, comme décrit plus en détail ci-dessous. En refroidissant la conduite (162), une longueur de l'espace physique occupé par la conduite (162) est significativement inférieure à la longueur réelle du circuit de circulation à travers la conduite (162). En d'autres termes, une longueur de la conduite (162) peut être plus longue que la distance la plus courte entre la partie d'entrée (164) et la partie de sortie (168). La conduite (162) peut avoir d'autres configurations.
Par exemple, la conduite (162) peut avoir une configuration en serpentin qui comprend une pluralité de sections linéaires en général parallèles reliées ensemble bout à bout par des sections incurvées qui se prolongent par un angle de 180°.
La conduite (162) peut être configurée pour chauffer le gaz circulant dans la conduite (162) pendant un temps souhaitable (par exemple un temps de séjour), qui peut dépendre de la zone transversale du circuit de circulation dans la conduite (162), du débit du gaz source dans la conduite (162) et de la longueur globale de la conduite (162). La conduite (162) peut être façonnée et configurée pour être située proche d'un ou plusieurs éléments chauffants actifs ou passifs, comme décrit plus en détail ci-dessous.
Comme illustré sur la figure 2, au moins la partie centrale hélicoïdale (166) de la conduite (162) peut être contenue dans un boîtier externe (170). Le boîtier externe (170) peut également servir de conduite menant un gaz supplémentaire pour des gaz tels que les gaz de purge, qui peuvent également être dirigés dans la chambre réactionnelle (102), bien que cela ne soit pas illustré sur les figures. Par exemple, comme illustré sur la figure 2, le boîtier externe (170) peut comprendre une entrée de boîtier (172) et une sortie de boîtier (174) qui peuvent s'étendre dans la chambre réactionnelle (102). Le gaz de purge peut être poussé à s'écouler dans le boîtier externe (170) à partir de l'entrée de boîtier (172) vers la sortie de boîtier (174), et ensuite dans la chambre réactionnelle (102). Le gaz de purge peut être chauffé 2968836, 22 par l'injecteur de gaz de thermalisation (160) lorsqu'il passe dans le boîtier externe (170). La conduite (162) et le boîtier externe (170) peuvent comprendre un matériau réfractaire qui est 5 stable et inerte à des températures élevées auxquelles ils sont soumis pendant leur utilisation. Par exemple, la conduite (162) et le boîtier externe (170) peuvent être en et au moins comprendre en grande partie du quartz. 10 L'injecteur de gaz de thermalisation (160) peut être chauffé en utilisant des éléments de production de chaleur actifs proches (par exemple adjacents) du boîtier externe (170) et/ou de la partie centrale hélicoïdale (166) de la conduite (172). Les éléments 15 chauffants actifs comprennent les éléments émettant un rayonnement tels que les lampes à rayons infrarouges, les éléments chauffants inducteurs, les éléments chauffants électriques tels que les éléments chauffants résistants et analogues. L'injecteur de gaz de 20 thermalisation (160) peut également comprendre des éléments chauffants passifs qui ne génèrent pas eux-mêmes de la chaleur, mais qui sont utilisés pour redistribuer, refléter ou sinon affecter le transfert thermique dans et autour de l'injecteur de gaz de 25 thermalisation (160). Par exemple, comme illustré sur la figure 2, l'injecteur de gaz de thermalisation (160) peut comprendre un élément chauffant actif (180), qui peut comprendre un appareil de chauffage chauffé par résistance qui entoure au moins partiellement 30 l'extérieur du boîtier externe (170). Par conséquent, les gaz circulant à travers la conduite (162) et/ou le boîtier externe (170) peuvent être chauffés par l'élément chauffant actif (180). Comme illustré sur la figure 2, un élément chauffant facultatif (182), qui 35 peut être actif ou passif, peut être placé dans le boîtier externe (170). L'élément chauffant (182) peut avoir une forme cylindrique allongée, et la partie centrale hélicoïdale (166) de la conduite (162) peut serpenter autour de l'élément chauffant (182) comme illustré sur la figure 2. A titre d'exemple et sans limitation, l'élément chauffant (182) peut comprendre une tige comprenant un matériau de corps noir qui est utilisée pour redistribuer la chaleur générée par l'élément chauffant actif (180). La présence de l'élément chauffant (182) peut améliorer l'efficacité à laquelle les gaz dans la partie centrale hélicoïdale (166) du serpentin (162) et les gaz dans le boîtier externe (170) sont chauffés par l'élément chauffant actif (180).
Dans des modes de réalisation de l'invention dans lesquels le gaz source alimenté à l'injecteur de gaz de thermalisation (160) par l'une des sources de gaz (128A, 128B) comprend un trichlorure de métal tel que le GaC13 et un gaz vecteur d'hydrogène H2, le trichlorure de métal et le gaz d'hydrogène peuvent se décomposer pour former une vapeur de monochlorure de métal telle qu'une vapeur de GaCl et d'HCl, laquelle vapeur peut sortir par la partie de sortie (168) de la conduite (162) et aller dans la chambre réactionnelle (102). Dans d'autres modes de réalisation, les injecteurs de gaz (150A, 150B) peuvent comprendre les injecteurs de gaz décrits dans la demande de brevet US n° de série 12/894 724. Par exemple, les injecteurs de gaz (150A, 150B) peuvent comprendre un réservoir configuré pour contenir un métal liquide ou un autre élément, tel que par exemple du gallium (Ga) liquide, de l'aluminium (Al) liquide ou de l'indium (In) liquide. Dans d'autres modes de réalisation, le réservoir peut être configuré pour contenir un réactif solide pour une réaction avec 2968830, 24 un gaz source (ou un produit de décomposition ou réactionnel d'un gaz source). Par exemple, le réservoir peut être configuré pour contenir un volume solide d'un ou plusieurs matériaux tels que par exemple le silicium 5 (Si) solide ou le magnésium (Mg) solide. La figure 3 est une vue en perspective d'un injecteur de gaz (200) qui peut être utilisé pour un ou les deux injecteurs de gaz (150A, 150B) illustrés sur la figure 1A. Comme illustré sur la figure 3, 10 l'injecteur de gaz (200) comprend une entrée (202), une sortie (204), une conduite de thermalisation (206) et un contenant (210). Le contenant (210) est configuré pour contenir un réactif liquide. Par exemple, un métal liquide, tel que le gallium liquide, l'indium liquide, 15 l'aluminium liquide, etc., ou une substance organométallique liquide peut être placé(e) dans le contenant (210). Un gaz source (par exemple le GaC13), un gaz vecteur (par exemple H2, N2 etc.) ou un mélange d'un gaz source et d'un gaz vecteur peut être 20 approvisionné vers l'entrée (202). Le ou les gaz sources peuvent circuler à partir de l'entrée (202) dans la conduite de thermalisation (206). La conduite de thermalisation (206) peut être configurée pour chauffer le gaz circulant dans la conduite de 25 thermalisation (206) pendant un temps souhaitable (par exemple un temps de séjour), qui peut dépendre de la zone transversale du circuit de circulation dans la conduite de thermalisation (206), du débit du gaz source dans la conduite de thermalisation (206) et de 30 la longueur globale de la conduite de thermalisation (206). La conduite de thermalisation (206) peut être façonnée et configurée pour être située proche d'un ou plusieurs éléments chauffants actifs ou passifs, comme décrit plus en 35 détail ci-dessous.
En outre, la conduite de thermalisation (206) peut comprendre une ou plusieurs sections incurvées ou boucles de sorte que la longueur de l'espace physique occupé par la conduite de thermalisation (206) est significativement inférieure à la longueur réelle du circuit de circulation dans la conduite de thermalisation (206). En d'autres termes, une longueur de la conduite de thermalisation (206) peut être plus longue que la distance la plus courte entre l'entrée (202) et le contenant de liquide (210). Dans certains modes de réalisation, la longueur de la conduite de thermalisation (206) peut être au moins environ deux fois la distance la plus courte entre l'entrée (202) et le contenant de liquide (210), au moins environ trois fois la distance la plus courte entre l'entrée (202) et le contenant de liquide (210), ou même au moins environ quatre plus courte entre l'entrée (202) liquide (210). Par exemple, thermalisation (206) peut avoir fois la distance la et le contenant de la conduite de une configuration en serpentin, comme illustrée sur la figure 3, qui comprend une pluralité de sections linéaires en général parallèles reliées ensemble bout à bout par des sections incurvées qui se prolongent par un angle de 180°. La conduite de thermalisation (206) peut comprendre un tube qui est au moins en grande partie constitué d'un matériau réfractaire tel que le quartz par exemple.
Dans certains modes de réalisation, le gaz peut comprendre un gaz source qui se décompose au moins partiellement dans la conduite de thermalisation (206). Par exemple, dans des modes de réalisation dans lesquels le gaz comprend un gaz source de Gacl3 et un gaz vecteur comprenant de l'H2, le gaz source peut se 2968830. 26 décomposer pour former du GaCl gazeux et du chlorure d'hydrogène (HCl). Les gaz circulent de la conduite de thermalisation (206) dans le contenant (210). La 5 figure 4 est une coupe partielle agrandie du contenant (210). Comme illustré sur la figure 4, le contenant (210) comprend une paroi inférieure (212), une paroi supérieure {214) et au moins une paroi latérale (216). Dans le mode de réalisation des 10 figures 6 et 7, le réservoir possède une forme en général cylindrique de sorte que la paroi inférieure (212) et la paroi supérieure (214) ont chacune une forme circulaire et sont chacune au moins planes dans l'ensemble, et de sorte que la paroi 15 latérale (216) est au moins cylindrique (par exemple tubulaire) dans l'ensemble. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, le réservoir peut être configuré selon d'autres configurations géométriques. La paroi inférieure (212), la paroi supérieure (214) et 20 au moins l'une des parois latérales (216) définissent ensemble un corps creux, dont l'intérieur définit un réservoir pour contenir un réactif liquide tel que du gallium liquide ou une substance organométallique. L'espace intérieur dans le contenant creux (210) 25 peut être partiellement rempli avec un réactif liquide. Par exemple, le contenant (210) peut être rempli avec un réactif liquide jusqu'au niveau indiqué par la ligne en pointillé (220) sur la figure 4, de sorte qu'un vide ou espace (222) est présent au-dessus du réactif 30 liquide dans le contenant (210). Les gaz circulant hors de la conduite de thermalisation (206) peuvent être injectés dans l'espace (222) au-dessus du réactif liquide dans le contenant (210). Dans un exemple non limitatif, les gaz circulant hors de la conduite de 35 thermalisation (206) peuvent circuler à travers la paroi inférieure (212) dans un tube (224). Dans certains modes de réalisation, le tube (224) peut comprendre une partie constitutive de la conduite de thermalisation (206) qui se prolonge dans le contenant (210). Le tube (224) peut se prolonger dans le réactif liquide placé dans le contenant de liquide au niveau de l'espace (222) au-dessus du réactif liquide. Le tube (224) peut comprendre un coude de 90° de sorte qu'une partie terminale du tube (224) se prolonge de manière horizontale au-dessus du réactif liquide. Comme illustré sur la figure 4, une ouverture peut être présente dans la paroi latérale cylindrique du tube (224) sur l'un de ses côtés faisant face à la surface du réactif liquide, de sorte que les gaz circulant dans le tube (224) sortent du tube (224) par l'ouverture (226). Les gaz sortant par l'ouverture (226) peuvent être dirigés hors de l'ouverture dans un sens orienté vers la surface du réactif liquide pour favoriser une réaction entre un ou plusieurs composants des gaz et le réactif liquide. Par exemple, dans des modes de réalisation dans lesquels le gaz source comprend du GaC13 transporté dans un gaz vecteur tel que l' H2i. et le gaz source s'est décomposé pour comprendre du GaCl gazeux et une espèce chlorée telle que par exemple du chlorure d'hydrogène (HC1) dans la conduite de thermalisation (206), le réactif liquide dans le contenant de liquide peut comprendre du gallium liquide, qui peut réagir avec le gaz chloré (par exemple l'HCl) généré dans la conduite de thermalisation (206) pour former du GaCl gazeux additionnel. Les gaz dans l'espace (222) au-dessus du réactif liquide dans le contenant (210) peuvent circuler hors du contenant par l'intermédiaire d'un évent (228). Par exemple, l'évent (228) peut être situé 2968830. 28 dans la paroi supérieure (214) du contenant au-dessus de la partie du tube (224) se prolongeant horizontalement. L'évent (228) peut conduire à une conduite de sortie (230) dont l'extrémité peut 5 délimiter la sortie (204) de l'injecteur de gaz (200). Dans d'autres modes de réalisation, les gaz circulant hors de la conduite de thermalisation (206) peuvent être injectés dans le réactif liquide dans le contenant (210), de sorte que les gaz remontent sous 10 forme de bulles dans le réactif liquide jusqu'à l'espace (222) au-dessus du réactif liquide. Les divers composants du contenant (210) peuvent être au moins dans l'ensemble constitués d'un matériau réfractaire tel que le quartz par exemple. 15 Le GaCl peut être un gaz précurseur souhaité pour la formation de GaN. Par conséquent, en convertissant l'espèce chlorée en excès telle que par exemple le chlorure d'hydrogène gazeux (HC1) qui provient de la décomposition thermique du GaC13 et de l'H2 (dans des 20 systèmes qui utilisent un gaz source comprenant du GaCl3 et de l'H2) en GaCl additionnel, on peut éviter les effets néfastes de l'espèce chlorée en excès sur le matériau de GaN déposé, car la quantité de l'espèce chlorée qui entre dans la chambre réactionnelle (102) 25 peut être réduite. Ces effets néfastes peuvent comprendre, par exemple, l'incorporation d'atomes de chlore dans le réseau cristallin du nitrure de gallium et le craquage ou la délamination du film de GaN déposé. L'introduction de chlorure d'hydrogène (HC1) 30 gazeux en excès dans la chambre réactionnelle peut entraîner l'action du chlorure d'hydrogène en tant qu'attaquant chimique sur le GaN dans la chambre réactionnelle, réduisant ainsi la vitesse de croissance ou empêchant même la croissance du GaN. En outre, en 35 faisant réagir l'espèce chlorée en excès avec le gallium liquide pour former du GaCl additionnel, l'efficacité du système de dépôt (100) peut être améliorée. Le système de dépôt HVPE (100) décrit ci-dessus en se référant aux figures lA et 1B peut être utilisé pour déposer une couche de nucléation sur un substrat, pour recuire la couche de nucléation pour former des îlots du matériau de nucléation, et pour déposer des couches de surcroissance du matériau semiconducteur de nitrure III sur les îlots du matériau de nucléation selon les modes de réalisation des procédés de l'invention, comme décrit ci-dessous. Les figures 5 à 10 illustrent le dépôt d'une couche de nucléation sur un substrat, le recuit de la couche de nucléation pour former des îlots du matériau de nucléation, et le dépôt de couches de surcroissance du matériau semiconducteur de nitrure III sur les îlots du matériau de nucléation selon les modes de réalisation des procédés de l'invention.
En se référant à la figure 5, un substrat (240) est proposé. En général, le substrat (240) peut être un corps plat, discoïdal et peut généralement être circulaire, rectangulaire, etc. Le substrat (240) peut comprendre ce qui est connu dans l'art sous le nom de « matrice » ou « tranche ». Le substrat (240) peut se composer au moins en grande partie d'un matériau homogène (242). Le matériau (242) peut comprendre, par exemple, une céramique telle qu'un oxyde (par exemple le dioxyde de silicium (SiO2) ou l'oxyde d'aluminium (Al203) (par exemple le saphir qui est l' a-Al203)) ou un nitrure (par exemple le nitrure de silicium (Si3N4) ou le nitrure de bore (BN)). Comme autres exemples, le matériau (242) peut comprendre un matériau semiconducteur tel que le silicium (Si), le germanium (Ge), un matériau semiconducteur de type III-V, etc. 2968830, 30 Dans certains modes de réalisation, le matériau (242) du substrat (240) peut se composer au moins en grande partie d'un cristal unique du matériau (242). En outre, dans de tels modes de réalisation, le cristal unique 5 peut avoir une orientation cristallographique choisie, de sorte qu'une surface principale exposée (244) du matériau (242) comprend un plan cristallographique choisi du cristal unique du matériau (242). La surface principale exposée (244) comprend une surface de 10 croissance sur laquelle on souhaite faire croître ou sinon déposer un matériau semiconducteur de nitrure III. Dans un exemple non limitatif, le substrat {240) peut être choisi pour comprendre un substrat de saphir (0001). De tels substrats de saphir sont 15 disponibles dans le commerce. En se référant à la figure 6, une couche de nucléation (250) peut être formée (par exemple déposée) sur la surface principale exposée (244). Selon les modes de réalisation des procédés de l'invention, la 20 couche de nucléation (250) peut comprendre un matériau de nitrure de métal (par exemple le GaN) et peut être formée en utilisant un procédé HVPE et un système HVPE (100), comme décrit ci-dessus. A titre d'exemple et sans limitation, la couche de nucléation (250) peut 25 être déposée sur la surface principale exposée (244) de sorte que la couche de nucléation (250) a une épaisseur moyenne T1 comprise entre environ deux nanomètres (2 nm) et environ cinq micromètres (5 pm), entre environ dix nanomètres (10 nm) et environ cent 30 micromètres (100 nm), ou même entre environ vingt nanomètres {20 nm) et environ cinquante micromètres (50 nm). En outre, la couche de nucléation (250) peut être déposée à des températures relativement basses comprises par exemple entre environ 400 °C et 700 0C 35 (par exemple à environ 570 0C) et à des pressions comprises entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) (par exemple à environ 200 Torr). Lors du dépôt, la couche de nucléation (250) peut comprendre à la fois des régions cristallines et des régions amorphes dans la nanostructure de celle-ci. Par exemple, la figure 11 est un dessin simplifié illustrant schématiquement la façon dont une coupe transversale de la couche de nucléation (250) peut apparaître en la grossissant. Comme illustré sur la figure 11, la microstructure de la couche de nucléation (250) peut comprendre des grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) (c'est-à-dire des cristaux ou des cristallites) intégrés dans et entourés par le matériau de nitrure de métal sensiblement amorphe (254). Comme connu dans l'art, le terme « amorphe » signifie qu'il n'y a sensiblement pas d'ordre à grande distance dans l'arrangement des atomes du matériau. En d'autres termes, les atomes du matériau amorphe sont généralement arrangés de manière aléatoire dans le matériau, par opposition à un arrangement dans un ordre ordonné de plans atomiques dans le matériau. Il faut noter que le dessin de la figure 11 est simplifié et bien que des liaisons discrètes identifiables soient facilement visibles entre les grains du matériau de nitrure de métal cristallin (252) et du matériau de nitrure de métal amorphe (254) sur la figure 11, en pratique de telles liaisons discrètes se prolongeant autour des périphéries des grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) peuvent être relativement difficiles à identifier lorsque la microstructure est visualisée en la grossissant. Cependant, la présence des grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) et le matériau de nitrure de métal amorphe (254) peuvent être identifiés en visualisant la microstructure avec un grossissement 29'68830 , 32 approprié et/ou en utilisant d'autres techniques, telles que la diffraction de rayons X (XRD). Certains grains du matériau de nitrure de métal cristallin (252) peuvent être situés directement sur et 5 alignés de manière épitaxiale avec le réseau cristallin de la surface sous-jacente (244) du substrat (240) (figure 5). Par exemple, dans des modes de réalisation dans lesquels le substrat (240) comprend un substrat de saphir (0001) et la couche de nucléation (250) comprend 10 du nitrure de gallium (GaN), la surface (244) peut comprendre le plan (0001) du réseau cristallin du saphir, et les grains de matériau de GaN cristallin (252) qui sont situés directement sur la surface (244) du substrat (240) peuvent être orientés 15 de sorte que les directions [0001] dans les réseaux cristallins de ces grains de matériau de GaN cristallin (252) se prolongent sensiblement perpendiculairement par rapport à la surface (244). Les directions [0001] dans chaque grain du matériau de 20 nitrure de métal cristallin (252) sur la figure 11 sont représentées par les flèches directionnelles dans les grains. D'autres directions dans les réseaux cristallins de ces grains de matériau de GaN cristallin (252) peuvent également se prolonger 25 sensiblement parallèlement par rapport aux directions correspondantes dans le réseau cristallin du substrat de saphir sous-jacent (240) sur la surface (244) de sorte qu'il y ait peu ou pas d'incohérences en terme d'orientation rotationnelle de ces grains dans le plan 30 horizontal (c'est-à-dire le plan se prolongeant dans le plan des figures) par rapport au réseau cristallin du substrat de saphir sous-jacent (240) sur la surface (244). Comme illustré sur la figure 11, les grains de 35 matériau de nitrure de métal cristallin (252) qui ne sont pas situés directement sur la surface sous-jacente (244) du substrat (240) (figure 5) peuvent ne pas être alignés de manière épitaxiale avec le réseau cristallin de la surface sous-jacente (244) du substrat (240) et peuvent être orientés de manière aléatoire dans l'espace, comme indiqué par les flèches directionnelles dans chaque grain du matériau de nitrure de métal cristallin (252) qui indiquent les directions [0001] dans le réseau cristallin. Bien évidemment, certaines de ces directions [0001] peuvent s'étendre selon des angles dans et hors du plan de la figure il, bien que ces directions ne soient pas indiquées sur la figure. Dans des modes de réalisation dans lesquels les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) comprennent du nitrure de gallium (GaN), certains ou tous les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) peuvent être ou comprendre des grains au moins en grande partie composés de la structure cristalline de wurtzite et/ou certains ou tous les grains peuvent être ou comprendre des grains au moins en grande partie composés de la structure cristalline de blende de zinc. En outre, dans certains modes de réalisation, les grains du matériau de nitrure de métal cristallin (252) peuvent posséder un noyau interne d'une structure cristalline, telle que la structure cristalline de blende de zinc, et une enveloppe externe entourant au moins partiellement le noyau interne ayant une autre structure cristalline, telle que la structure cristalline de wurtzite. En se référant de nouveau à la figure 6, après la formation de la couche de nucléation (250) sur la surface (244) du substrat (240), la couche de nucléation (250) peut être traitée thermiquement dans un procédé de recuit pour former des îlots (260) du 268830 34 matériau de nucléation de nitrure de métal sur la surface (244) du substrat (240), comme illustré sur la figure 7. La couche de nucléation (250) peut être soumise au procédé de recuit dans la même chambre 5 réactionnelle (102) dans laquelle la couche de nucléation (250) est déposée sur le substrat (240), et le procédé de recuit peut être réalisé après le procédé de dépôt en tant que partie intégrante d'un procédé HVPE global utilisé pour former un matériau 10 semiconducteur de nitrure III sur le substrat (240). A titre d'exemple et sans limitation, le procédé de recuit peut comprendre la soumission de la couche de nucléation (250) à une ou des températures comprises entre environ 900 °C et environ 1300 °C (par exemple à 15 environ 1050 0C) et à des pressions comprises entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) (par exemple à environ 200 Torr) pendant un temps compris entre environ dix secondes (10 s) et environ dix minutes (10 min) (par exemple pendant environ 20 3,5 minutes). Dans certains modes de réalisation, chaque îlot (260) du matériau de nucléation de nitrure de métal peut être en grande partie cristallin, et peut être situé directement sur et aligné de manière 25 épitaxiale avec le réseau cristallin de la surface sous-jacente (244) du substrat (240). Par exemple, dans les modes de réalisation dans lesquels le substrat (240) comprend un substrat de saphir (0001) et les îlots (260) comprennent du nitrure de gallium 30 (GaN), la surface (244) peut comprendre le plan (0001) du réseau cristallin du saphir, et la structure cristalline des îlots (260) de GaN peut être orientée de sorte que les directions [0001] dans les réseaux cristallins se prolongent en grande partie 35 perpendiculairement par rapport à la surface (244). En outre, d'autres directions dans les réseaux cristallins des îlots (260) de GaN peuvent également se prolonger en grande partie parallèlement aux directions correspondantes dans le réseau cristallin du substrat de saphir sous-jacent (240) sur la surface (244), de sorte qu'il y ait peu ou pas d'incohérences en terme d'orientation rotationnelle de ces grains dans le plan horizontal (c'est-à-dire le plan se prolongeant dans le plan des figures) par rapport au réseau cristallin du substrat de saphir sous-jacent (240) sur la surface (244). Dans certains modes de réalisation, certains ou tous les îlots (260) du matériau de nucléation de nitrure de métal peuvent être spatialement séparés des îlots (260) adjacents, de sorte qu'au moins une partie de la surface (244) du substrat (240) est exposée entre les îlots (260). Il faut noter que la base d'au moins certains des îlots (260) peut être en contact direct avec la base d'un ou plusieurs autres îlots adjacents (260), de sorte que les îlots ne sont pas totalement isolés de tous les autres îlots (260). De plus, dans certains modes de réalisation, les îlots (260) peuvent se composer au moins en grande partie de matériau de nucléation de wurtzite.
En outre, bien que les îlots (260) apparaissent être séparés les uns des autres de manière uniforme et arrangés dans un ordre ordonné sur la figure 7, il faut comprendre que la figure est simplifiée à des fins d'illustration, et que, dans la pratique, les îlots (260) peuvent être situés et distribués de manière aléatoire sur la surface (244) du substrat (240). Dans des modes de réalisation dans lesquels les îlots (260) comprennent du nitrure de gallium (GaN), certains ou tous les grains des îlots cristallins (260) 296$830 36 peuvent être ou comprendre des grains de la structure cristalline de wurtzite et/ou certains ou tous les grains peuvent être ou comprendre des grains de la structure cristalline de blende de zinc. En outre, dans 5 certains modes de réalisation, les grains des îlots (260) peuvent posséder un noyau interne d'une structure cristalline, telle que la structure cristalline de blende de zinc, et une enveloppe externe entourant au moins partiellement le noyau interne ayant 10 une autre structure cristalline, telle que la structure cristalline de wurtzite. Sans vouloir être lié à une quelconque théorie, on pense que le mécanisme selon lequel la couche de nucléation de nitrure de métal (250) est convertie en 15 îlots (260) du matériau de nucléation de nitrure de métal pendant le procédé de recuit implique la décomposition et le redépôt d'au moins une partie de la couche de nucléation de nitrure de métal (250). De tels procédés sont schématiquement illustrés sur la 20 figure 12. Comme illustré sur la figure 12, pendant le procédé de recuit et de cristallisation, au moins une partie de la couche de nucléation (250) est décomposée et vaporisée. Dans un exemple, pour le matériau de GaN, les cercles totalement noirs peuvent représenter des 25 radicaux et des atomes d'azote, et les cercles vides peuvent représenter des radicaux et des atomes de gallium. Certains des radicaux et des atomes d'azote et de gallium sont décomposés et vaporisés, comme représenté par les flèches directionnelles en 30 pointillée sur la figure 12 dirigées dans le sens opposé à la surface (244) du substrat (240) (figure 2). Etant donné que l'on pense que le matériau de nitrure de métal en grande partie amorphe (254) et les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) qui ne 35 sont pas arrangés sur et alignés de manière épitaxiale avec la surface de croissance (244) du substrat (240) sont énergétiquement moins stables que les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) qui sont arrangés sur et alignés de manière épitaxiale avec la surface de croissance (244) du substrat (240), le matériau amorphe (254) et les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) non alignés de manière épitaxiale peuvent se décomposer tandis que les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) alignés de manière épitaxiale peuvent rester sur la surface (244) du substrat (240). En outre, pendant le procédé de recuit et de recristallisation, les radicaux et les atomes de gallium et d'azote décomposés et vaporisés peuvent se recombiner et se déposer sur les surfaces des grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) alignés de manière épitaxiale restant sur la surface (244) du substrat (240), comme représenté sur la figure 12 par les flèches directionnelles pleines. En outre, certains des radicaux et des atomes de gallium et d'azote décomposés et vaporisés peuvent se recombiner et nucléer de nouveaux grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) alignés de manière épitaxiale, comme indiqué en position (258) sur la figure 12.
Lors de la continuation du procédé de recuit et de recristallisation, les grains de matériau de nitrure de métal cristallin (252) alignés de manière épitaxiale continuent de croître jusqu'à ce que les îlots (260) illustrés sur la figure 7 soient formés. Après le procédé de recuit et de recristallisation, il se peut qu'il y ait peu ou pas de matériau de nitrure de métal amorphe (254) (figure 11) restant sur la surface (244) du substrat (240). En outre, la plupart des îlots (260) peuvent être alignés de manière épitaxiale avec la surface (244) du substrat (240), bien qu'un petit 268830, 38 nombre d'îlots (260) ne soit pas en grande partie aligné de manière épitaxiale avec la surface (244) du substrat (240). Comme décrit plus en détail ci-dessous, selon 5 certains modes de réalisation de l'invention, les paramètres du procédé de dépôt HVPE utilisés pour former la couche de nucléation (250) de la figure 6, et les paramètres du procédé de traitement thermique utilisé pour le recuit et la recristallisation de la 10 couche de nucléation (250) pour former les îlots (260) illustrés sur la figure 7, peuvent être choisis afin qu'une majorité des essentiellement tous les en forme de crête, pointus 15 figure 7, par opposition à La figure 13 illustre forme de crête (260) et mésa (260'). Comme illustré forme de crête possède des facettes inclinées (262) qui 20 sont orientées selon des angles aigus supérieurs à zéro degré (par exemple compris entre environ 40 degrés et environ 85 degrés) par rapport à la surface (244) du substrat (240). Les facettes inclinées (262) se prolongent vers et convergent en un point relativement 25 pointu (264) au somment de l'îlot en forme de crête (260). Les îlots en forme de mésa (260') possèdent des facettes inclinées (262') similaires aux facettes inclinées (262) des îlots en forme de crête (260), mais les facettes inclinées (262') des 30 îlots en forme de mésa (260') se prolongent vers et croisent une surface planaire plate (266') qui est en général orientée parallèlement à la surface de croissance planaire plate (244) du substrat (240). Pendant le procédé de recuit et de recristallisation 35 utilisé pour convertir la couche de nucléation (250) de îlots (260), ou sinon îlots (260) soient des îlots (260) comme illustrés sur la des îlots en forme de mésa. schématiquement un îlot en deux îlots en forme de sur la figure 13, l'îlot en la figure 6 en îlots cristallins, des îlots en forme de crête (260) et des îlots en forme de mésa (260') peuvent se former sur la surface (244) du substrat (240). Il peut être souhaitable de provoquer ou d'encourager la formation d'îlots en forme de crête (260) et/ou de supprimer la formation d'îlots en forme de mésa (260'), car les couches de surcroissance de matériau de nitrure III formées sur les îlots en forme de crête (260) peuvent avoir relativement moins de densités de défaut traînant que les couches de surcroissance de matériau de nitrure III formées sur des îlots en forme de mésa (260'). La figure 14 est une vue agrandie d'un îlot en forme de crête (260) et d'un îlot en forme de mésa (260') tels que ceux illustrés sur la figure 14. Lors de la formation des îlots par le procédé de recuit et de recristallisation de la couche de nucléation (250) (figure 2), au moins certains des îlots comprennent des défauts au niveau de leurs structures cristallines. Par exemple, des dislocations traînantes (270) peuvent se prolonger à partir de l'interface entre la surface (244) du substrat (240) (figure 2) et les îlots (260, 260') par une interface entre les îlots (260, 260') et le matériau de nitrure III sus-jacent déposé sur les îlots (260, 260') et dans le matériau de nitrure III sus-jacent comme illustré sur la figure 14. Comme illustré sur la figure 14, les dislocations traînantes (270) qui coupent les facettes inclinées (262, 262') des îlots (260, 260') ont tendance à se courber ou à s'incurver vers, et à se prolonger dans, un sens latéral généralement parallèle à la surface (244) du substrat (240) (figure 2). Au moins certaines de ces dislocations traînantes courbées ou incurvées ont tendance à se recombiner les unes avec les autres ou sinon à s'anéantir, de sorte qu'elles ne se prolongent pas vers le haut dans le sens vertical par rapport à la surface principale exposée du matériau de nitrure III sus-jacent. Les dislocations traînantes (270) qui coupent les points (264) des îlots en forme de crête (260) ou des surfaces planaires plates des îlots en forme de mésa (260') ont cependant tendance à se prolonger verticalement vers le haut par rapport à la surface principale exposée du matériau de nitrure III sus-jacent. De tels défauts ne sont pas souhaités et peuvent avoir un effet négatif sur les dispositifs actifs formés en utilisant le matériau de nitrure III sus-jacent. Le rapport de la zone de la surface planaire plate (264') de l'îlot en forme de mésa (260') à la zone de l'interface entre l'îlot en forme de mésa (260') et la surface (244) du substrat (240) (figure 2) peut être inférieur au rapport de la zone du point (264) de l'îlot en forme de crête (260) à la zone de l'interface entre l'îlot en forme de crête (260) et la surface (244) du substrat (240) (figure 2). Par conséquent, un pourcentage de dislocations traînantes (270) dans l'îlot en forme de mésa (260') qui se prolongent vers la surface planaire plate (264') et donc vers la surface principale exposée du matériau de nitrure III pourcentage de l'îlot en forme sus-jacent, peut être supérieur au dislocations traînantes (270) dans de crête (260) qui se prolongent du point (264) matériau de étant donné et vers la surface principale exposée du nitrure III sus-jacent. En d'autres termes, que les dislocations traînantes (270) dans les îlots en forme de crête (260) ont plus de chance de couper les facettes inclinées (262) que les points (264) en raison de la surface minimale des points (264), les dislocations traînantes (270) dans les îlots en forme de crête (260) ont moins de chance de se propager vers le haut vers la surface principale exposée du matériau de nitrure III sus-jacent comparativement aux dislocations traînantes (270) dans les îlots en forme de mésa (260').
En conséquence, au moins dans certains modes de réalisation, les procédés de l'invention peuvent comprendre le choix et la conception des paramètres du procédé de dépôt HVPE utilisé pour former la couche de nucléation (250) de la figure 6, et les paramètres du procédé de traitement thermique utilisé pour le recuit et la cristallisation de la couche de nucléation (250) pour former préférentiellement les îlots en forme de crête (260) illustrés sur la figure 7, par opposition aux îlots en forme de mésa (260') tels que ceux illustrés sur les figures 13 et 14. Les demandeurs ont étudié la façon dont certains paramètres du procédé de dépôt HVPE utilisé pour former la couche de nucléation (250) de la figure 6, et les paramètres du procédé de traitement thermique utilisé pour le recuit et la cristallisation de la couche de nucléation (250), affectent la hauteur, la densité et la forme des îlots résultants du matériau de nucléation. La figure 15 est un graphe illustrant les résultats de ces études.
Comme illustré sur la figure 15, il a été découvert que, pendant le procédé de dépôt HVPE utilisé pour former la couche de nucléation (250) de la figure 6 (le procédé est identifié sur la figure 15 comme étant le procédé de « nucléation »), les îlots en forme de mésa (260') ont tendance à se former à des températures de dépôt d'environ 450 °C, tandis que les îlots en forme de crête (260) ont tendance à se former à des températures de dépôt d'environ 570 °C. Par conséquent, selon certains modes de réalisation de l'invention, le procédé de dépôt HVPE utilisé pour 296,8830 42 former la couche de nucléation (250) de la figure 6 peut être réalisé à des températures d'au moins environ 500 °C, et peut être réalisé à des températures comprises entre environ 500 °C et environ 700 °C, entre 5 environ 550 °C et environ 600 °C, ou même entre environ 560 °C et environ 580 °C (par exemple à environ 570 °C). Il a également été découvert que, pendant le procédé de dépôt HVPE utilisé pour former la couche de nucléation (250) de la figure 6, les îlots en forme de 10 mésa (260') ont tendance à se former à des temps de dépôt (c'est-à-dire de nucléation) d'environ 54 secondes, alors que les îlots en forme de crête (260) ont tendance à se former à des temps de dépôt d'environ 18 secondes. Par conséquent, selon 15 certains modes de réalisation de l'invention, le procédé de dépôt HVPE utilisé pour former la couche de nucléation (250) de la figure 6 peut être réalisé en un temps de moins d'environ 45 secondes, et peut être réalisé en un temps compris entre environ 5 secondes et 20 environ 45 secondes, entre environ 10 secondes et environ 30 secondes, ou même entre environ 15 secondes et environ 25 secondes (par exemple en environ 18 secondes). Comme illustré sur la figure 15, il a été 25 découvert que pendant le procédé de recuit et de recristallisation utilisé pour former les îlots (260) de la figure 7 à partir de la couche de nucléation (250) de la figure 6 (le procédé est identifié sur la figure 15 comme étant le procédé de 30 « recuit »), les îlots en forme de mésa (260') ont tendance à se former à des températures de recuit d'environ 950 °C, tandis que les îlots en forme de crêtes (260) ont tendance à se former à des températures de recuit d'environ 1050 °C. Par 35 conséquent, selon certains modes de réalisation de l'invention, le procédé de recuit et de recristallisation utilisé pour former les îlots (260) de la figure 7 peut être réalisé à des températures d'au moins environ 1000 °C et peut être réalisé à des températures comprises entre environ 1000 °C et environ 1300 °C, entre environ 1025 °C et environ 1100 °C, ou même entre environ 1040 °C et environ 1070 °C (par exemple à environ 1050 °C). Il a aussi été découvert que, pendant le procédé de recuit et de recristallisation utilisé pour former les îlots (260) de la figure 7, les îlots en forme de mésa (260') ont tendance à se former à des temps de recuit d'environ 1 minute, alors que les îlots en forme de crête (260) ont tendance à se former à des temps de recuit d'environ 9 minutes. Par conséquent, selon certains modes de réalisation de l'invention, le procédé de recuit et de recristallisation utilisé pour former les îlots (260) de la figure 7 peut être réalisé en un temps supérieur à environ trois minutes, et peut être réalisé en des temps compris entre environ 3 minutes et environ 10 minutes, entre environ 5 minutes et environ 10 minutes, ou même entre environ 7 minutes et environ 10 minutes (par exemple en environ 9 minutes). Les effets de chaque paramètre du procédé décrits ci-dessus concernant la hauteur des îlots résultants (260) et la densité des îlots résultants (260) sont également illustrés sur le graphe de la figure 15. D'après la figure 15, il semble que des températures de nucléation plus élevées et des temps de nucléation plus courts, qui sont souhaitables pour la formation des îlots en forme de crête (260), peuvent donner des îlots (260) ayant une hauteur moyenne moins élevée et des densités relativement plus élevées, ce qui est également préféré pour les caractéristiques améliorées de la couche matricielle de nucléation formée à la fin à partir des îlots (260) comme décrit ci-dessous. En se référant de nouveau à la figure 7, les défauts traînants (270) sont illustrés dans les îlots 5 en forme de crête (260) du matériau de nucléation de nitrure de métal. Après la formation des îlots en forme de crête (260) comme décrit ci-dessus, les îlots en forme de crête (260) peuvent croître et fusionner pour former 10 une couche matricielle de nucléation de nitrure de métal (280) comme illustré sur la figure 8. Les îlots (260) peuvent croître en utilisant un procédé de dépôt HVPE dans un système HVPE (100) comme décrit ci-dessus. Les îlots (260) peuvent croître jusqu'à ce que 15 les bases des îlots (260) convergent les unes avec les autres, de sorte que la couche matricielle de nucléation de nitrure de métal (280) soit au moins en grande partie continue. La couche matricielle de nucléation (280) peut comprendre des pics (282), qui 20 peuvent chacun correspondre à l'un des îlots (260) précédemment formés de la figure 7. La couche matricielle de nucléation de nitrure de métal (280) peut au moins en grande partie recouvrir la surface (244) du substrat (240), de sorte que la 25 surface (244) ne soit pas exposée entre les pics (282) de la couche matricielle de nucléation (280). Etant donné que sensiblement tous les îlots (260) peuvent être alignés au moins en grande partie de manière épitaxiale avec la surface sous-jacente (244) du 30 substrat (240), lorsque les îlots (260) croissent et convergent les uns avec les autres, les réseaux cristallins de chaque îlot (260) peuvent sensiblement correspondre et s'aligner les uns avec les autres, de sorte que la couche matricielle de nucléation (280) se 35 compose en grande partie de matériau de cristal unique, et de sorte que relativement peu de défauts soient formés au niveau de l'interface de convergence entre les îlots fusionnants (260). On pense que relativement peu de défauts sont formés au niveau de l'interface de convergence entre les îlots en forme de crête fusionnants (260) tels que ceux illustrés sur la figure 6 par rapport à l'interface de convergence entre les îlots en forme de mésa fusionnants (260') tels que ceux illustrés sur les figures 13 et 14.
De plus, dans certains modes de réalisation, la couche matricielle de nucléation de nitrure de métal (280) peut au moins en grande partie se composer de matériau de nucléation de wurtzite. A titre d'exemple et sans limitation, les îlots (260) peuvent croître et fusionner dans un procédé HVPE dans la chambre réactionnelle (102) à des températures par exemple comprises entre environ 900 °C et environ 1110 °C (par exemple à environ 1000 °C) et à des pressions comprises entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) (par exemple à environ 200 Torr). Après la croissance des îlots (260) pour former la couche matricielle de nucléation de nitrure de métal (280) illustrée sur la figure 8, la couche matricielle de nucléation (280) peut être thermiquement traitée pour soumettre la couche matricielle de nucléation (280) à un procédé de recuit pour améliorer les caractéristiques du réseau cristallin de la couche matricielle de nucléation (280) et pour réduire le nombre de défauts dans la couche matricielle de nucléation (280). La couche matricielle de nucléation (280) peut être soumise au procédé de recuit dans la même chambre réactionnelle (102) que celle utilisée pour réaliser les étapes de traitement précédentes décrites ci- 296$83'0 46 dessus, après la formation de la couche matricielle de nucléation (280), sous forme d'une partie intégrante d'un procédé HVPE global utilisé pour former le matériau semiconducteur de nitrure III sur le 5 substrat (240). A titre d'exemple et sans limitation, le procédé de recuit impliquant la couche matricielle de nucléation (280) peut comprendre la soumission de la couche matricielle de nucléation (280) à une ou des températures comprises entre environ 900 °C et environ 10 1100 °C (par exemple à environ 1000 °C) et à des pressions comprises entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) (par exemple à environ 150 Torr), pendant une durée comprise entre environ cinq minutes (5 min) et environ quinze minutes (15 min) 15 (par exemple en environ 10 min). De plus, un gaz précurseur du groupe V tel que l'ammoniac (NH3) peut être poussé à circuler dans la chambre réactionnelle (102) pendant le recuit de la couche matricielle de nucléation (280) (sans circulation d'un 20 quelconque gaz précurseur du groupe III dans la chambre réactionnelle (102)). Les demandeurs ont étudié la façon dont certains paramètres du procédé de dépôt HVPE utilisé pour former la couche matricielle de nucléation (280) de la 25 figure 8 à partir des îlots (260) de la figure 7, et les paramètres du procédé de traitement thermique utilisé pour le recuit de la couche matricielle de nucléation (280), affectent la rugosité superficielle de la surface principale exposée (284) de la couche 30 matricielle de nucléation (280), le nombre de défauts de la couche matricielle de nucléation (280), et l'épaisseur moyenne résultante de la couche matricielle de nucléation (280). Les résultats de ces investigations sont illustrés sur le graphe de la 35 figure 16.
Comme illustré sur la figure 16, il a été découvert que des températures de croissance et de recuit relativement élevées pendant la formation de la couche matricielle de nucléation (280) entraînent une rugosité superficielle quadratique moyenne (RMS : root mean square) plus faible de la surface principale exposée (284) de la couche matricielle de nucléation (280). Par conséquent, selon certains modes de réalisation de l'invention, les procédés de dépôt HVPE et de recuit utilisés pour former la couche matricielle de nucléation (280) de la figure 8 peuvent être réalisés à des températures d'au moins environ 950 °C, et peuvent être réalisés à des températures comprises entre environ 950 °C et environ 1100 °C, entre environ 975 °C et environ 1050 °C, ou même entre environ 985 °C et environ 1015 °C (par exemple à environ 1000 °C). Il a été découvert que des flux relativement élevés d'un gaz précurseur du groupe V (par exemple l'ammoniac (NH3)) dans la chambre réactionnelle (102) pendant la formation de la couche matricielle de nucléation (280) entraînent une rugosité superficielle RMS faible de la surface principale exposée (284) de la couche matricielle de nucléation (280). Par conséquent, selon certains modes de réalisation de l'invention, les procédés de dépôt HVPE et de recuit utilisés pour former la couche matricielle de nucléation (280) de la figure 8 peuvent être réalisés en faisant circuler un gaz précurseur du groupe V (par exemple l'ammoniac (NH3)) dans la chambre réactionnelle (102) à des débits d'au moins environ 10 slm. Par exemple, le débit du gaz précurseur du groupe V peut être compris entre environ 10 slm et environ 30 slm, entre environ 15 slm et environ 25 slm, ou même entre environ 18 slm et environ 22 slm (par exemple à environ 20 slm). En outre, la rugosité 2968830; 48 superficielle RMS de la surface principale exposée (284) de la couche matricielle de nucléation (280) peut être d'environ 5,0 nm ou moins, ou même inférieure à environ 2,0 nm ou moins selon 5 certains modes de réalisation de l'invention. Une diffraction de rayons X (XRD) est réalisée sur la couche matricielle de nucléation (280) de plusieurs échantillons préparés comme décrit ici. En particulier, on mesure les réflexions (105) ainsi que les valeurs de 10 la largeur totale maximale à mi-hauteur (FWHM) des pics résultants. Des valeurs FWHM basses indiquent des pics plus étroits, et par conséquent moins de variation des paramètres du réseau respectifs dans le réseau cristallin donnant lieu à des réflexions, ce qui 15 indique la présence de moins de défauts dans le réseau cristallin. Comme illustré sur la figure 16, il a été découvert que des températures plus élevées et des pressions plus basses pendant les procédés de dépôt HVPE et de recuit utilisés pour former la couche 20 matricielle de nucléation (280) de la figure 8 peuvent entraîner des valeurs FWHM plus basses et donc améliorer la cristallinité et/ou réduire les défauts dans le réseau cristallin de la couche matricielle de nucléation (280). Par conséquent, en plus des plages de 25 température proposées ci-dessus, les procédés de dépôt HVPE et de recuit utilisés pour former la couche matricielle de nucléation (280) de la figure 8 peuvent être réalisés à des pressions d'environ 235 Torr ou moins, et peuvent être réalisés à des pressions 30 comprises entre environ 50 torr et environ 235 Torr, entre environ 120 Torr et environ 170 Torr, ou même entre environ 140 Torr et environ 160 Torr (par exemple à environ 150 Torr). En se référant de nouveau aux données de XRD de la figure 16, il a été découvert que 35 des flux relativement bas de gaz de purge d'hydrogène (H2) dans la chambre réactionnelle (102) pendant la formation de la couche matricielle de nucléation (280) donnent une cristallinité améliorée et/ou réduisent les défauts du réseau cristallin de la couche matricielle de nucléation (280). Par conséquent, selon certains modes de réalisation de l'invention, les procédés de dépôt HVPE et de recuit utilisés pour former la couche matricielle de nucléation (280) de la figure 8 peuvent être réalisés en faisant circuler un gaz de purge d'hydrogène (H2) dans la chambre réactionnelle (102) à des débits d'environ 15 slm ou moins. Par exemple, le débit du gaz de purge d'hydrogène peut être compris entre environ 2 slm et environ 15 slm, entre environ 4 slm et environ 12 slm, ou même entre environ 6 slm et environ 10 slm (par exemple à environ 8 slm). En se référant toujours à la figure 16, il a également été découvert que les débits relativement bas du gaz de purge d'hydrogène (H2) et les pressions relativement basses mentionnées ci-dessus, qui semblent donner une cristallinité améliorée et/ou réduire les défauts du réseau cristallin de la couche matricielle de nucléation (280), entraînent également une augmentation de l'épaisseur totale moyenne de la couche matricielle de nucléation (280) résultante. On pense que ceci est dû, au moins en partie, à une diminution de l'attaque de la couche matricielle de nucléation (280) par une concentration réduite des radicaux d'hydrogène dans la chambre réactionnelle (102), et une diminution des réactions en phase gazeuse se produisant dans la chambre réactionnelle (102) en raison des pressions plus basses. La figure (17) est un graphe représentant schématiquement un exemple non limitatif d'un procédé 35 de dépôt HVPE qui peut être utilisé pour déposer une 2968830. 50 couche de nucléation (250) comme illustré sur la figure 6, pour cristalliser la couche de nucléation (250) afin de former des îlots (260) de matériau de nucléation comme illustré sur la figure 7, 5 et pour faire croître et fusionner les îlots afin de former une couche matricielle de nucléation (280) comme illustré sur la figure 8, en utilisant le système de dépôt (100) des figures lA et 1B. Le procédé de dépôt illustré sur la figure 17 est présenté comme un 10 exemple, et d'autres procédés et systèmes de dépôt HVPE peuvent également être utilisés pour réaliser les modes de réalisation des procédés de l'invention. En se référant à la figure 17, le procédé de dépôt de l'exemple est représenté en traçant la température T 15 dans la chambre réactionnelle (102) en fonction du temps t. Comme illustré sur le graphe, le procédé de dépôt comprend treize (13) étapes, qui sont séquentiellement nommées Si à S13. Les paramètres d'un exemple non limitatif du procédé de dépôt pour chacune 20 des treize étapes Si à S13 sont illustrés dans le tableau 1 ci-dessous.
TABLEAU 1 Étape Description l Temp. I Temps Pression Source Source Gaz de groupe III groupe V purge Si Stabilisation 400 °C 30 s 200 Torr --- --- N2 15 slm H2 2 slm S2 Chauffage --- 4,5 min 200 Torr --- --- N2 5 sim H2 22 slm S3 Cuisson 1100 °C 10 min 200 Torr --- --- N2 5 slm H2 22 slm S4 Refroidissement --- 4 min 200 Torr --- --- N2 5 slm H2 22 sim S5 Stabilisation 570 °C 3 min 200 Torr --- --- N2 5 slm H2 18 slm S6 Nucléation 570 °C 60 s 200 Torr N2 2,5 slm NH3 2 slm N2 6 slm H2 0,8 slm H2 18 slm GaC13 51 sccm S7 Chauffage --- 3,5 min 200 Torr --- NH3 6 slm N2 2 slm H2 21 slm S8 Cristallisation 1050 °C 3,5 min 200 Torr NH3 6 slm N2 2 slm H2 21 s lm S9 Refroidissement --- --- 200 Torr --- --- --- S10 Fusion 1000 °C 23 min 150 Torr N2 2,5 sim NH3 N2 12 slm H2 0,8 slm 20 slm H2 4 slm GaC13 51 sccm S11 recuit 1000 °C 10 min 150 Torr --- NH3 N2 12 slm 20 slm H2 4 slm S12 Refroidissement --- 4,5 min 500 Torr --- NH3 N2 2 slm 12 slm H2 21 slm S13 Stabilisation 400 °C 2 min 500 Torr --- NH3 N2 2 sim 12 slm H2 21 slm Comme illustré sur la figure 17 et le tableau 1, l'étape S1 est une étape de stabilisation pendant laquelle les substrats à travailler (106) sont chauffés à et stabilisés à une température T1 de 400 °C et une pression de 200 Torr tout en faisant circuler un gaz de purge dans la chambre réactionnelle (102). Le gaz de purge comprend du N2 à un débit de 15 litres standard par minute (slm) et de l'H2 à un débit de 2 slm.
L'étape de chauffage S2 commence au temps t1 et se prolonge pendant une durée de 4,5 minutes. Pendant l'étape de chauffage S2, la chambre réactionnelle (102) est chauffée de manière stable et continue à une vitesse de chauffage sensiblement constante de la température T1 à une température T2 de 1100 °C. La pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 200 Torr pendant l'étape de chauffage S2. Pendant l'étape de chauffage S2, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 5 slm et de l'H2 à un débit de 22 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). L'étape de cuisson S3 commence au temps t2 et se prolonge pendant une durée de 10 minutes. L'étape de cuisson est utilisée pour nettoyer et réparer la surface de croissance supérieure des substrats de croissance avant le dépôt. Pendant l'étape de cuisson S3, la chambre réactionnelle (102) est maintenue à la température T2 de 1100 °C et à la pression de 200 Torr. Pendant l'étape de cuisson S3, un gaz de purge 268830- 52 comprenant du N2 à un débit de 5 slm et de l'H2 à un débit de 22 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). L'étape de refroidissement S4 commence au temps t3 5 et se prolonge pendant une durée de 4 minutes. Pendant l'étape de refroidissement S4, la chambre réactionnelle (102) est refroidie de manière stable et continue à une vitesse de refroidissement sensiblement constante de la température T2 à une température T3 de 10 570 °C. La pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 200 Torr pendant l'étape de refroidissement S4. Pendant l'étape de refroidissement S4, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 5 slm et de l'H2 à un débit de 22 slm passe dans la 15 chambre réactionnelle (102). L'étape de stabilisation S5 commence au temps t4 et se prolonge pendant une durée de 3 minutes. Pendant l'étape de stabilisation S5, la température dans la chambre réactionnelle est maintenue à 570 °C, la 20 pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 200 Torr et un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 5 slm et de l'H2 à un débit de 18 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). L'étape de nucléation S6 commence au temps t5 et 25 se prolonge pendant une durée de 60 secondes. L'étape de nucléation S6 est utilisée pour déposer la couche de nucléation (250) sur le substrat de croissance (240), comme précédemment décrit en se référant aux figures 5 et 6. Pendant l'étape de nucléation S6, la température dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 570 °C et la pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 200 Torr. Pendant l'étape de nucléation S6, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 6 slm et de l'H2 à un débit de 18 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Un gaz source du groupe V comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 2 slm et un gaz source du groupe III comprenant du GaC13 circule dans la chambre réactionnelle à un débit de 51 centimètres cubes standard par minute (sccm). L'étape de chauffage S7 commence au temps t6 et se prolonge pendant une durée de 4 minutes. Pendant l'étape de chauffage S7, la chambre réactionnelle (102) est chauffée de manière stable et continue à une vitesse de chauffage sensiblement constante de la température T3 à une température T4 de 1050 °C. Pendant l'étape de chauffage S7, la pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 200 Torr. Pendant l'étape de chauffage S7, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 2 sim et de l'H2 à un débit de 21 sim passe dans la chambre réactionnelle (102). Pendant l'étape de chauffage S7, un gaz source du groupe V comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 6 slm.
L'étape de cristallisation S8 commence au temps t7 et se prolonge pendant une durée de 3,5 minutes. L'étape de cristallisation S8 est utilisée pour recuire et cristalliser la couche de nucléation (250) sur le substrat de croissance (240) et former des îlots (260) du matériau de nucléation, comme précédemment décrit en se référant aux figures 6 et 7. Pendant l'étape de cristallisation S8, la température dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 1050 °c et la pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 200 Torr. Pendant l'étape de cristallisation S8, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 2 sim et de l'H2 à un débit de 21 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Pendant l'étape de cristallisation S8, un gaz source du groupe V 296$830, 54 comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 6 slm. L'étape de refroidissement S9 commence au temps t8 et se prolonge pendant une durée de 20 secondes. 5 Pendant l'étape de refroidissement S9, la chambre réactionnelle (102) est refroidie de manière stable et continue à une vitesse de refroidissement sensiblement constante de la température T4 à une température T5 de 1000 °C. Pendant l'étape de refroidissement S9, la 10 pression dans la chambre réactionnelle (102) est réduite de 200 Torr à 150 Torr. Pendant l'étape de refroidissement S9, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 2 slm et de l'H2 à un débit de 21 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Pendant l'étape de 15 refroidissement S9, un gaz source du groupe V comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 6 slm. L'étape de coalescence S10 commence au temps t9 et se prolonge pendant une durée de 10 minutes. L'étape de 20 coalescence S10 est utilisée pour faire croître et fusionner les îlots (260) du matériau de nucléation afin de former la couche matricielle de nucléation (280), comme précédemment décrit en se référant aux figures 7 et 8. Pendant l'étape de 25 coalescence S10, la température dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 1000 °C et la pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 150 Torr. Pendant l'étape de coalescence S10, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 30 12 slm et de l'H2 à un débit de 4 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Un gaz source du groupe V comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 20 slm et un gaz source du groupe III comprenant du GaCl3 circule dans r 2968830 55 la chambre réactionnelle à un débit de 51 centimètres cubes standard par minute (sccm). L'étape de recuit S11 commence au temps tlo et se prolonge pendant une durée de 10 minutes. L'étape de 5 recuit S11 est utilisée pour recuire la couche matricielle de nucléation (280), comme précédemment décrit en se référant à la figure 8. Pendant l'étape de recuit S11, la température dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 1000 °C et la 10 pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 150 Torr. Pendant l'étape de recuit S11, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 12 slm et de l'H2 à un débit de 4 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Pendant l'étape de recuit S11, un 15 gaz source du groupe V comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 20 slm. L'étape de refroidissement S12 commence au temps t11 et se prolonge pendant une durée de 4,5 min. Pendant l'étape de refroidissement S12, la chambre 20 réactionnelle (102) est refroidie de manière stable et continue à une vitesse de refroidissement sensiblement constante de la température T5 à une température T6 de 400 °c. Pendant l'étape de refroidissement S12, la pression dans la chambre réactionnelle (102) est 25 maintenue à 500 Torr. Pendant l'étape de refroidissement S12, un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 2 slm et de l'H2 à un débit de 21 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Pendant l'étape de refroidissement S12, un gaz source du groupe V 30 comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 12 slm. L'étape de stabilisation S13 commence au temps t12 et se prolonge pendant une durée de 2 minutes. Pendant l'étape de stabilisation S13, la température dans la chambre réactionnelle est maintenue à 400 °C, la 296$830 56 pression dans la chambre réactionnelle (102) est maintenue à 500 Torr et un gaz de purge comprenant du N2 à un débit de 2 slm et de l' H2 à un débit de 21 slm passe dans la chambre réactionnelle (102). Pendant 5 l'étape de stabilisation S13, un gaz source du groupe V comprenant du NH3 circule dans la chambre réactionnelle (102) à un débit de 12 slm. En se référant de nouveau à la figure 8, la couche matricielle de nucléation (280) est utilisée pour 10 permettre le dépôt du matériau semiconducteur massif de nitrure III sur le substrat (240) avec une épaisseur totale moyenne souhaitée tout en maintenant les densités de défaut dans le matériau semiconducteur massif de nitrure III déposé à des concentrations 15 souhaitées. En raison des différences entre les structures du réseau cristallin du matériau (242) du substrat (240) et du matériau semiconducteur massif de nitrure III qui doit être déposé sur le substrat (240) (ces différences sont souvent nommées dans l'art 20 « incohérence du réseau cristallin »), la structure cristalline du matériau semiconducteur massif de nitrure III peut comprendre des concentrations non souhaitées, relativement importantes de défauts tels que des dislocations si le matériau semiconducteur 25 massif de nitrure III doit être directement déposé sur la surface principale exposée (244) du substrat (240). Par conséquent, une couche matricielle de nucléation (280) est proposée entre le substrat (240) et le matériau semiconducteur massif de nitrure III 30 afin de modérer les effets de l'incohérence du réseau cristallin entre le substrat (240) et le matériau semiconducteur massif de nitrure III sus-jacent. En d'autres termes, la couche matricielle de nucléation (280) peut être utilisée pour minimiser 35 l'incohérence du réseau cristallin entre le - 2968830 57 substrat (240) et le matériau semiconducteur massif de nitrure III à déposer dessus, et de telles couches matricielles de nucléation (280) sont également nommées dans l'art couches « tampons ». En outre, la couche 5 matricielle de nucléation (280) peut être utilisée comme couche de germination pour nucléer la croissance du matériau semiconducteur massif de nitrure III dessus, et de telles couches matricielles de nucléation (280) sont également nommées dans l'art 10 couches de « germination ». Après le dépôt d'une couche de nucléation (250), la cristallisation de la couche de nucléation (250) pour former des îlots (260) du matériau de nucléation, et la croissance et la coalescence des îlots (260) pour 15 former une couche matricielle de nucléation cristalline (280), comme précédemment décrit ici en se référant aux figures 5 à 8, une ou plusieurs couches de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III peuvent croître sur la couche matricielle de nucléation 20 cristalline (280) comme décrit ci-dessous en se référant aux figures 9 et 10. En se référant à la figure 9, après la formation de la couche matricielle de nucléation (280), une première couche de surcroissance de matériau 25 semiconducteur de nitrure III (290) peut être nucléée et déposée sur et par-dessus une surface principale exposée (284) de la couche matricielle de nucléation (280) en utilisant un procédé HVPE. Bien qu'une liaison discrète soit visible entre la couche 30 matricielle de nucléation (280) et la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) dans le dessin simplifié de la figure 9, il faut noter que la couche matricielle de nucléation (280) et la couche de surcroissance de 35 matériau semiconducteur de nitrure III (290) peuvent, 2968830, 58 dans certains modes de réalisation, avoir au moins en grande partie la même composition, et il peut être difficile ou impossible de visualiser ou sinon d'identifier une quelconque liaison discrète entre la 5 couche matricielle de nucléation (280) et la couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290). La première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) peut comprendre une 10 couche de croissance latérale. En d'autres termes, le procédé de dépôt HVPE utilisé pour la croissance de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III (290) peut être conçu pour provoquer la croissance dans les directions latérales (c'est-à-dire parallèles à la 15 surface de croissance (244) du substrat (240)) plus rapidement que la croissance dans la direction verticale (c'est-à-dire perpendiculaire à la surface de croissance (244) du substrat (240)). Une telle croissance latérale peut être établie en choisissant 20 les conditions de croissance qui favorisent l'ajout de matériau sur les facettes inclinées (262) des pics (282) qui sont orientées selon des angles aigus vers la surface supérieure (244) du substrat de croissance (240), par opposition à une surface orientée 25 de manière parallèle par rapport à la surface supérieure (244). La croissance latérale de la couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) peut aller des facettes inclinées (262) des pics (282) de la couche matricielle de nucléation (280) 30 jusqu'à ce que le matériau semiconducteur de nitrure III lors de la croissance fusionne pour former la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) illustrée sur la figure 9. Comme illustré sur la figure 9, la première 35 couche de surcroissance de matériau semiconducteur de t nitrure III (290) peut comprendre une surface supérieure en grande partie planaire (292).
En général, les taux relatifs de croissance latérale et de croissance verticale du matériau de nitrure III peuvent être influencés par la température de croissance, le rapport du précurseur du groupe V au précurseur du groupe III dans les gaz du procédé, la composition de l'espèce du gaz vecteur, et la pression dans la chambre réactionnelle. Par exemple, la croissance latérale peut être améliorée par augmentation des températures de dépôt, augmentation du rapport du précurseur du groupe V au précurseur du groupe III, augmentation du rapport N2 à H2 et/ou réduction des pressions de dépôt à, par exemple environ 760 Torr (1 atmosphère) ou moins.
La croissance latérale du matériau de nitrure III à partir des facettes inclinées (262) peut entraîner une dislocation traînante (270) dans le matériau de nitrure III qui provient de la couche matricielle de nucléation (280) qui se courbe ou s'incurve dans la direction latérale. Comme précédemment mentionné ici, lorsqu'une ou plusieurs dislocations traînantes (270) rencontrent une autre dislocation traînante lorsque le matériau de nitrure III fusionne entre les pics (282) de la couche matricielle de nucléation (280), ces dislocations traînantes (270) peuvent se combiner et se neutraliser les unes les autres, entraînant une réduction de la concentration des dislocations traînantes (270) dans la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290). Certaines dislocations traînantes (270) sont illustrées sur la figure 9 qui se sont combinées et se sont neutralisées les unes les autres, de sorte qu'elles ne se propagent pas sur la surface principale exposée (292) de la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290). Par conséquent, dans certains modes de réalisation de l'invention, la densité des dislocations traînantes au niveau de la surface principale exposée (292) de la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) peut être inférieure à environ 5 x 109 cm-2, inférieure à environ 5 x 108 cm-2, ou même inférieure à environ 5 x 10' cm-2. En se référant à la figure 10, après la formation de la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) (comme illustré sur la figure 9), les conditions de croissance en utilisant un procédé de dépôt HVPE dans la chambre réactionnelle (102) peuvent être altérées pour favoriser la croissance dans la direction verticale, et une seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296) peut croître sur la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290). Bien qu'une liaison discrète soit visible entre la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) et la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296) dans le dessin simplifié de la figure 10, il faut noter que ces couches de matériau peuvent, dans certains modes de réalisation, avoir une composition au moins en grande partie identique, et il peut être difficile ou impossible de visualiser ou sinon d'identifier toute liaison discrète entre elles. Comme illustré sur la figure 10, les dislocations traînantes au niveau de la surface (292) de la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) peuvent se propager dans la direction verticale sur la surface principale exposée (298) de la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296). A titre d'exemple et sans limitation, la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296) peut être déposée avec une épaisseur totale moyenne T2 d'au moins environ cinq micromètres (5 pm), d'au moins environ sept micromètres (7 }lm), d'au moins environ dix micromètres (10 pm), d'au moins environ vingt micromètres (20 pm), ou même d'au moins environ trente micromètres (30 }gym). La présence de la couche matricielle de nucléation (280) et de la première couche de surcroissance de matériau semiconducteur de nitrure III (290) préparées selon les modes de réalisation de la présente invention peut permettre le dépôt de la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296) avec une telle épaisseur totale moyenne T2 tout en maintenant les densités de dislocations dans la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296) au niveau de la surface principale exposée (298) au-dessous d'environ 5 x 109 cm-2, au-dessous d'environ 5 x 108 cm-2, ou même au-dessous d'environ 1 x 10' cm-2. En outre, les modes de réalisation des procédés de l'invention peuvent permettre la préparation de la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296) comme décrit ici sensiblement exempte de craquelures structurelles et sans zones délaminées dans la seconde couche de surcroissance de matériau semiconducteur massif de nitrure III (296). Comme décrit ici, au moins certains modes de réalisation de l'invention peuvent permettre la fabrication de matériaux semiconducteurs de nitrure III (par exemple le GaN) directement sur des substrats non 2968830° 62 natifs, tels que le saphir, avec des épaisseurs plus grandes et des densités de défauts réduites par rapport aux procédés connus jusqu'à présent. D'autres exemples non limitatifs supplémentaires 5 des modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-dessous. Mode de réalisation 1 : procédé de dépôt d'un matériau semiconducteur de nitrure III sur un substrat en utilisant un précurseur de trichlorure de métal 10 et/ou un précurseur de tétrachlorure de métal, comprenant : le dépôt d'une couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur une surface d'un substrat dans une étape de nucléation du procédé HVPE pour former une couche de nucléation possédant une 15 nanostructure comprenant au moins des cristallites de wurtzite et un matériau semiconducteur de nitrure III amorphe ; le recuit de la couche de nucléation pour former des îlots cristallins d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite sur la 20 surface du substrat ; la croissance et la coalescence des îlots d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite dans une étape de coalescence du procédé HVPE pour former une couche matricielle de nucléation d'au moins en grande partie le matériau de 25 nucléation de wurtzite recouvrant au moins en grande partie la surface du substrat ; et le dépôt de matériau semiconducteur de nitrure III supplémentaire sur la couche matricielle de nucléation d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite dans une 30 autre étape du procédé HVPE. Mode de réalisation 2 : procédé selon le mode de réalisation 1, comprenant en outre la formation des îlots cristallins du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat pour avoir la forme d'un 35 pic.
Mode de réalisation 3 : procédé selon le mode de réalisation 1 ou 2, dans lequel le recuit de la couche de nucléation pour former les îlots cristallins du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat comprend le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 900 °C et environ 1300 °C. Mode de réalisation 4 : procédé selon le mode de réalisation 3, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 900 °C et environ 1300 °C comprend le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1025 °C et environ 1100 °C. Mode de réalisation 5 : procédé selon le mode de réalisation 4, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1025 °C et environ 1100 °C comprend le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1040 °C et environ 1070 °C.
Mode de réalisation 6 : procédé selon le mode de réalisation 5, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1040 °C et environ 1070 °C comprend le recuit de la couche de nucléation à une température d'environ 1050 °C. Mode de réalisation 7 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 6, dans lequel le recuit de la couche de nucléation pour former les îlots cristallins du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat comprend le recuit de la couche de nucléation à une pression comprise entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère). Mode de réalisation 8 : procédé selon le mode de réalisation 7, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une pression comprise entre environ 29'6883'0, 64 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) comprend le recuit de la couche de nucléation à une pression d'environ 200 Torr. Mode de réalisation 9 : procédé selon l'un 5 quelconque des modes de réalisation 1 à 7, comprenant en outre le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une température comprise entre environ 400 °C et 10 environ 700 °c. Mode de réalisation 10 : procédé selon le mode de réalisation 9, dans lequel le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE 15 à une température comprise entre environ 400 °C et environ 700 °c comprend le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une température d'environ 570 °C. 20 Mode de réalisation 11 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 10, comprenant en outre le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à 25 une pression comprise entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère). Mode de réalisation 12 : procédé selon le mode de réalisation 11, dans lequel le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface 30 du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une pression comprise entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) comprend le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du 35 procédé HVPE à une pression d'environ 200 Torr.
Mode de réalisation 13 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 12, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une température comprise entre environ 900 °C et environ 1100 °C. Mode de réalisation 14 : procédé selon le mode de réalisation 13, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de fusion du procédé HVPE à une température comprise entre environ 975 °C et environ 1050 °C. Mode de réalisation 15 : procédé selon le mode de réalisation 14, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une température comprise entre environ 985 °C et environ 1015 °C. Mode de réalisation 16 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 15, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une pression comprise entre environ 100 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère). Mode de réalisation 17 : procédé selon le mode de réalisation 16, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une pression d'environ 200 Torr. Mode de réalisation 18 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 17, comprenant en outre le recuit de la couche matricielle de nucléation du matériau de nucléation épitaxiale après la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale. Mode de réalisation 19 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 18, comprenant en outre le choix du matériau semiconducteur de nitrure III de sorte à comprendre du nitrure de gallium. Mode de réalisation 20 : procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 19, comprenant en outre le choix du substrat de sorte à comprendre du saphir. Mode de réalisation 21 : structure comprenant une couche matricielle de nucléation de matériau de nucléation de nitrure III formée conformément à un procédé décrit dans l'un quelconque des modes de 15 réalisation 1 à 20. Mode de réalisation 22 : structure selon le mode de réalisation 21, comprenant en outre un matériau semiconducteur massif de nitrure III sur la couche matricielle de nucléation du matériau semiconducteur de 20 nitrure III. Mode de réalisation 23 : structure selon le mode de réalisation 22, dans laquelle le matériau semiconducteur massif de nitrure III est sensiblement exempt de craquelures structurelles.
25 Mode de réalisation 24 : structure selon le mode de réalisation 22 ou le mode de réalisation 23, dans laquelle le matériau semiconducteur massif de nitrure III est au moins sensiblement exempt de zones délaminées.
30 Mode de réalisation 25 : structure intermédiaire formée par un procédé décrit dans l'un quelconque des modes de réalisation 1 à 20. 35
Claims (25)
- REVENDICATIONS1. Procédé de dépôt d'un matériau semiconducteur de nitrure III sur un substrat en utilisant un précurseur de trichlorure de métal et/ou un précurseur de tétrachlorure de métal, comprenant : le dépôt d'une couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur une surface d'un substrat dans une étape de nucléation du procédé HVPE pour former une couche de nucléation possédant une nanostructure comprenant au moins des cristallites de wurtzite et un matériau semiconducteur de nitrure III amorphe ; le recuit de la couche de nucléation pour former des îlots cristallins d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite sur la surface du substrat ; la croissance et la coalescence des îlots d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite dans une étape de coalescence du procédé HVPE pour former une couche matricielle de nucléation d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite recouvrant au moins en grande partie la surface du substrat ; et le dépôt de matériau semiconducteur de nitrure III supplémentaire sur la couche matricielle de nucléation d'au moins en grande partie le matériau de nucléation de wurtzite dans une autre étape du procédé HVPE.
- 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la formation des îlots cristallins du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat pour avoir la forme d'un pic.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou la 35 revendication 2, dans lequel le recuit de la couche de 296883'0 68 nucléation pour former les îlots cristallins du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat comprend le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 900 °C et 5 environ 1300 °C.
- 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 900 °C et environ 1300 °C 10 comprend le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1025 °C et environ 1100 °C.
- 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel 15 le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1025 °C et environ 1100 °C comprend le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1040 °C et environ 1070 °c. 20
- 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une température comprise entre environ 1040 °C et environ 1070 °C comprend le recuit de la couche de nucléation à une 25 température d'environ 1050 °C.
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le recuit de la couche de nucléation pour former les îlots cristallins 30 du matériau de nucléation épitaxiale sur la surface du substrat comprend le recuit de la couche de nucléation à une pression comprise entre environ 100 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère).
- 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le recuit de la couche de nucléation à une pression comprise entre environ 100 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère) comprend le recuit de la couche de nucléation à une pression d'environ 200 Torr.
- 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une température comprise entre environ 400 °C et environ 700 °C.
- 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une température comprise entre environ 400 °C et environ 700 °C comprend le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une température d'environ 570 °C.
- 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant en outre le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une pression comprise entre environ 50 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère).
- 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une pression comprise entre environ 50 Torr et environ 760 Torr 29f6883'0 70 (1 atmosphère) comprend le dépôt de la couche de matériau semiconducteur de nitrure III sur la surface du substrat dans l'étape de nucléation du procédé HVPE à une pression d'environ 200 Torr. 5
- 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du 10 procédé HVPE à une température comprise entre environ 900 °C et environ 1100 °C.
- 14. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du 15 matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une température comprise entre environ 975 °C et environ 1050 °C.
- 15. Procédé selon la revendication 14, comprenant 20 en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une température comprise entre environ 985 °C et environ 1015 °C. 25
- 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de coalescence du procédé HVPE à une pression comprise entre environ 30 100 Torr et environ 760 Torr (1 atmosphère).
- 17. Procédé selon la revendication 16, comprenant en outre la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale dans l'étape de` coalescence du procédé HVPE à une pression d'environ 200 Torr.
- 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant en outre le recuit de la couche matricielle de nucléation du matériau de nucléation épitaxiale après la croissance et la coalescence des îlots du matériau de nucléation épitaxiale.
- 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, comprenant en outre le choix du matériau semiconducteur de nitrure III de sorte à comprendre du nitrure de gallium.
- 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, comprenant en outre le choix du substrat de sorte à comprendre du saphir. 20
- 21. Structure comprenant une couche matricielle de nucléation de matériau de nucléation de. nitrure III formée conformément à un procédé décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 20. 25
- 22. Structure selon la revendication 21, comprenant en outre un matériau semiconducteur massif de nitrure III sur la couche matricielle de nucléation du matériau semiconducteur de nitrure III. 30
- 23. Structure selon la revendication 22, dans laquelle le matériau semiconducteur massif de nitrure III est sensiblement exempt de craquelures structurelles. 5 2968830, 72
- 24. Structure selon la revendication 22 ou la revendication 23, dans laquelle le matériau semiconducteur massif de nitrure III est au moins sensiblement exempt de zones délaminées.
- 25. Structure intermédiaire formée par un procédé décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 20.
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