EP3417483A1 - Transducteur electromecanique a base de nitrure de gallium dope - Google Patents

Transducteur electromecanique a base de nitrure de gallium dope

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EP3417483A1
EP3417483A1 EP17705116.6A EP17705116A EP3417483A1 EP 3417483 A1 EP3417483 A1 EP 3417483A1 EP 17705116 A EP17705116 A EP 17705116A EP 3417483 A1 EP3417483 A1 EP 3417483A1
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EP
European Patent Office
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layer
layers
electrodes
stack
semiconductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17705116.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Faucher
Yvon Cordier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Lille 1 Sciences et Technologies
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Lille 1 Sciences et Technologies
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Lille 1 Sciences et Technologies filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10D62/85—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10D62/8503—Nitride Group III-V materials, e.g. AlN or GaN

Definitions

  • Electromechanical transducer based on doped gallium nitride.
  • the present invention relates to a stack of semiconductor layers, intended for the production of a microelectromechanical device, for example a transducer, comprising at least three semiconductor layers supported by the same substrate, one of these layers consisting of a doped piezoelectric semiconductor III-N material.
  • Microelectromechanical transducers make it possible to convert a mechanical quantity into an electrical signal, and vice versa.
  • MEMS Microelectromechanical transducers
  • These devices have undergone significant development in recent decades. Manufactured using techniques borrowed from microelectronics, these devices typically comprise submillimeter-sized mechanical elements (embedded beams, membranes, etc.), as well as actuators for moving mechanical elements and / or sensors to detect the movement of mechanical elements.
  • NEMS for Nano-Electro-Mechanical Systems in English.
  • the terms "MEMS” and "micromechanical device” will be used in a broad sense, including nanoelectromechanical devices and systems (NEMS).
  • Motion detection at the micromechanical scale still faces significant difficulties, which limit the potential of microelectromechanical systems.
  • the difficulties are mainly due to the fact that the output signal of a miniaturized sensor is generally of very low amplitude, and is therefore strongly affected either by the thermal noise, or by the impedance of the cables or the measuring circuit which can be deported. This problem is particularly acute in the case of small sized MEMS which must operate at temperatures above 150 ° C.
  • transducers are made on semiconductor substrates.
  • silicon-based piezoresistive transducers are among the most widely used devices in the electronics industry. These sensors may comprise doped zones, for example by phosphorus, boron, or arsenic. This doping makes it possible to define ohmic contacts or to achieve the integration of piezoresistive transducers, either by the arrangement of co-integrated transistors.
  • WO2012 / 107888 discloses a MEMS comprising a first layer of GaN deposited on a silicon substrate, a second layer of AIGaN deposited on this first layer, and an actuating structure.
  • the combination of these different semiconductor and piezoelectric materials forms a heterostructure, and allows to confine a two-dimensional charge carrier gas between the two layers, producing a conduction channel with high electron mobility.
  • An intrinsic characteristic of such a conduction channel is defined by the sheet resistance R s , measured in ohms.
  • the two-dimensional carrier gases can be exploited for the design of HEMT electronic high-mobility field effect transistors (for High-electron-mobility transistor in English), allowing the realization of high-performance mechanical stress sensors.
  • these two-dimensional gases can be present at rest, or obtained by the application of a potential difference across the device.
  • the document US2007 / 017621 1 thus discloses micro-beam type MEMS, made in AIGaN / GaN heterostructure, and in which the movements of the micro-beam are detected using a HEMT type transistor integrated into the beam. heterostructure.
  • heterostructures such as Al x Ga-i- x N (with x a number between 0.2 and 0.3), make it possible to have a two-dimensional gas of carriers whose sheet resistance is between 300 and 500 ohms for HEMTs.
  • high x values are involved, which creates mechanical stresses and / or other difficulties in epitaxial growth.
  • the concentration of carriers is also limited in this type of heterostructure by the physical properties of materials such as spontaneous polarization and the thickness of the barrier layer.
  • mobility is limited.
  • the operation of such devices in the presence of temperatures above 150 ° C remains difficult to implement with these technologies because they are limited by the metallurgies used, which lead to the occurrence of electrical failures.
  • the present invention therefore aims to solve the aforementioned drawbacks by modifying the architecture of the microelectromechanical devices known from the state of the art.
  • the invention proposes a stack of semiconductor layers comprising: a substrate; a first layer of a semiconductor material deposited on said substrate; a second layer of a semiconductor material deposited on said first layer; a third layer of a semiconductor material deposited on said second layer; and characterized in that at least one of the first, second and third layers is consisting of a piezoelectric semiconductor material doped to produce a very large number of electric charge carriers.
  • said stack further comprises at least one suspended element formed by extensions of one or more of said layers extending beyond an edge of said substrate, said suspended element being embedded on part of its perimeter at the level of said edge, and preferably has a shape selected from: a beam; a membrane; a disk ; or a plate.
  • the third layer has a thickness of between 0.05 and 20 microns ( ⁇ ), preferably 0.1 to 2 microns ( ⁇ ).
  • ⁇ microns
  • the first layer and the second layer are combined.
  • At least one of said first, second and / or third layer is made of a type III-N material, the group III element being selected from Al, Ga, In, B or any alloy thereof.
  • the elements used for doping the material of at least one of the first, second and third layers are chosen from Si, Ge, O and Mg.
  • said third layer is made of doped GaN.
  • the third layer is characterized by a concentration of doping elements of between 10 18 and 10 21 per cm 3 .
  • said third layer is electrically connected to at least one electrical conduction channel, said electrical conduction channel extending in said second layer.
  • said second layer comprises a heterostructure confining a two-dimensional charge carrier gas (2DEG), said two-dimensional gas forming electric conduction channel.
  • the present invention also relates to a microelectromechanical device comprising such a stack of semiconductor layers, and and further comprising at least two electrodes, at least two of said electrodes being connected to said second layer, and / or to said third layer, and / or a two-dimensional gas of charge carriers.
  • at least one of the electrodes is made of doped GaN.
  • said electrodes extend at least partially over a surface of said third layer and / or said second layer.
  • each of said electrodes comprises at least one extension which extends to the surface of said suspended element, and is electrically connected to the third layer.
  • at least one of said electrodes is an ohmic contact, the material constituting said ohmic contact being preferably selected from titanium, nickel, aluminum or gold.
  • said electrodes form the contacts of a field effect transistor.
  • the doping of element III nitrides constitutes a particularly innovative approach.
  • the electrical properties of a stack of semiconductor layers including a gallium nitride GaN layer, in particular, can be modified by appropriate doping, which makes it possible to adjust the electrical resistivity of the device over a wide range of values.
  • the MEMS transducers according to the invention are characterized in that at least one of the first, second and third layers is made of a doped piezoelectric semiconductor material.
  • the present invention relates to a microelectromechanical device whose operation combines both the realization of a heterostructure of elements III-N and the doping of a semiconductor and piezoelectric material within the same transducer.
  • FIG. 2 a sectional view of an exemplary microelectromechanical device according to the state of the art.
  • FIG. 5a and 5b respectively, a plan view and a sectional view of a microelectromechanical device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a plan view of a microelectromechanical device according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 7 a plan view of a microelectromechanical device according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 8 a plan view of a microelectromechanical device according to a fifth embodiment of the invention.
  • the design of the MEMS is generally based on the stacking of different piezoelectric semiconductor layers. This stack of layers makes it possible to produce a conduction channel favoring the passage of an electric current, with a determined electrical resistance. This resistance is likely to vary by piezoelectric effect when the device is subjected to mechanical stress.
  • a MEMS can convert a mechanical quantity into an electrical signal such that, for example, it can be used as an acceleration sensor.
  • a MEMS can serve as an actuator to produce a mechanical displacement when applying an electric current and / or a potential difference.
  • FIG. 1 shows a stack of semiconductor and piezoelectric layers according to the state of the art.
  • this device comprises a heterostructure for confining a two-dimensional charge carrier gas.
  • the stack of layers is made from a substrate Sub, composed of silicon Si for example.
  • This substrate is etched chemically, lithographically or by any other means.
  • the Sub layer is etched so as to release a nitride layer structure of elements III.
  • These layers consist for example of GaN, AlN, InN or any alloy of elements of type III-N. These elements have the property of being both semiconductor and piezoelectric materials.
  • a first Naked layer extends on the Sub substrate.
  • This layer may be composed of GaN or AlN, produced by chemical vapor deposition (or CVD, for Chemical Vapor Deposition), or by molecular beam epitaxy (or MBE, for Molecular Beam Epitaxy) at high temperature.
  • a Nit layer called a "buffer" layer, extends over the Naked layer.
  • This Nit layer is composed of a nitride alloy of elements Ga, Al, In and / or B, for example GaN. This layer ensures a smooth transition between several materials with a different crystalline structure.
  • the stack may also include one or more additional layers to promote oriented growth of the upper layers by epitaxy.
  • a Nit2 layer called "barrier" layer and composed of an alloy containing aluminum such as AlInGaN or AIGaN extends over the Nit layer and has a thickness typically between 15 and 30 nanometers.
  • the stack of several layers of semiconductor materials of different nature, for example Si for the substrate, GaN for the nucleation layer and / or the Nit layer, and AIGaN for the Nit2 barrier layer makes it possible to form a heterostructure.
  • This heterostructure confines a two-dimensional charge carrier gas, more precisely a two-dimensional electron gas 2DEG (2DEG, for 2-Dimensional Electron Gas in English), in the upper part of the Nit layer.
  • This two-dimensional gas is symbolically represented by a region delimited by a dashed line in FIG.
  • Charge carriers move in the 2DEG layer, and benefit significantly from electronic mobility greater than that of the other layers of the device.
  • Such a two-dimensional carrier gas can be exploited to produce, for example, a field effect transistor of the HEMT type which constitutes an excellent mechanical stress sensor.
  • the materials used to constitute the different layers of this device are semiconductors and piezoelectric.
  • a deformation occurs in the material composing the layer including the 2DEG layer, for example under the effect of an external mechanical stress, this results in a change in the number of charge carriers.
  • This modification results in a modulation of the electrical conductivity of the layer, in proportion to the corresponding stress.
  • This so-called piezoresistive effect allows the realization of an electromechanical transducer of the MEMS type.
  • FIG. 2 is a sectional view of a microelectromechanical transducer according to the state of the art, in particular a sensor or a piezoelectric actuation structure comprising a field effect transistor.
  • the Naked and Nit layers rest on the Sub substrate.
  • the Sub layer serves as a mechanical support for the transducer.
  • Above the Nit layer extends a Nit2 layer.
  • the Nit2 layer is composed of a piezoelectric semiconductor material different from the semiconductor material making up the Nit layer, and is of a lower thickness than the Nit layer.
  • the heterostructure formed by the junction of the Nit layer and the Nit2 layer optionally makes it possible to confine a two-dimensional gas of 2DEG carriers, which can form a conduction channel under the upper face of the transducer.
  • the transducer shown in FIG. 2 integrates a suspended element P, typically a mobile structure of any shape.
  • P is formed by the extension of one or more of the Nue, Nit, and Nit2 layers as previously described, and extends beyond one of the E edges of the Sub substrate. The dimensions of these different layers are determined during the manufacture of the transducer.
  • the suspended element P may be formed of a beam embedded in one or both of its ends, a membrane, a disk, plate, or any other type of structure embedded in a part of its perimeter at one of the edges E. This suspended element P can be either rigid or deformable under stress.
  • Electrodes can be integrated in this structure. These electrodes can form one or more transistors with the layers Nit and Nit2. The integration of these electrodes can be done by means of different manufacturing steps, including one or more phases of deposition, stoving, cooking, polymerization and / or elimination phases of any sacrificial layers.
  • this transistor is for example a field effect transistor.
  • the electrodes of this field effect transistor called drain D, source S and gate G, are integrated in the upper layers of the transducer, for example the Nit2 layer and / or 2DEG bidimensional gas.
  • the electrodes S and D are arranged to be in contact with the two-dimensional carrier gas confined in the stack of the Nit and Nit2 layers, while the electrode G extends only on the Nit2 layer.
  • This variation in conductivity generates a measurable electrical signal at the electrodes of the transistor.
  • This device is equivalent to a variable electrical resistance R.
  • R variable electrical resistance
  • MEMS operating as a sensor
  • the injection of an electric current and / or the application of a potential difference at its terminals makes it possible to generate a mechanical movement inside the layer, which in turn allows to cause an actuation of the mobile part of the MEMS, for example a flexion of the beam P.
  • the electrical resistivity of the 2DEG two-dimensional gas can be characterized by a sheet resistor R s.
  • This resistance is defined in ohms per square because it corresponds to the value of the electrical resistance of the layer measured between two contacts spaced by a distance equal to their width.
  • the electron mobility of a doped semiconductor layer is generally less than the electron mobility of a two-dimensional carrier gas.
  • the object of the present invention is thus to propose an electromechanical device having improved performances compared to the MEMS known from the state of the art.
  • the use of doped piezoelectric materials constitutes an advantageous solution for producing a piezoresistive transducer.
  • the use of particular properties of doped gallium nitride GaN makes it possible to fix the density of carriers in the two-dimensional channel.
  • the properties of the present invention make it possible to ensure a transducing effect by screening the piezoelectric charge, similarly to the transduction effect that can be generated by a GaN / AIGaN type heterostructure. This use also allows the realization of a device characterized by a low electrical resistance. In addition, the realization of a heterostructure freeing the 2DEG layer for the realization of microelectronic devices more efficient than the current MEMS, is an advantage of the present invention.
  • the inventors have found that the deposition of a doped GaN semiconductor layer on an undoped GaN layer makes it possible to perform a MEMS overcoming the aforementioned technical difficulties. Improving the transport of charge carriers within a doped medium makes it possible to overcome several known technical limitations of current MEMS in terms of electronic performance, in particular to reduce the electrical resistivity of the device and to facilitate the manufacture of contacts to electrically connect the transducer to the outside world. This makes it possible to increase the sensitivity of MEMS as a sensor and / or actuator.
  • FIG. 3 illustrates a sectional view of a stack of semiconductor layers according to the invention.
  • a stack of Naked and Nit layers is formed on a substrate Sub to produce a suspended element P.
  • This suspended element is embedded on a part of its perimeter and may be a beam, a membrane, a disk or a plate.
  • the Sub layer consisting for example of silicon, serves both as a mechanical support and electrical insulator for the upper layers of the stack.
  • the bare layer extends at least partially on the Sub layer and forms a so-called nucleation layer.
  • This bare layer may be either a silicon layer, for example the active layer of a SOI substrate (silicon on insulator), or a layer of element nitrides (Ga, Al, In, B), or another material to even to improve crystal growth on the Sub layer (cubic SiC, rare earth oxide, etc.). Naked can be configured to promote nucleation.
  • Nue is characterized by a thickness of between 0.01 and 1 microns ( ⁇ ), and preferably between 0.05 and 0.1 microns ( ⁇ ).
  • the Nit buffer layer which extends over the Naked layer is composed of an alloy of element nitrides (Ga, Al, In, B). This alloy is preferably composed of undoped GaN.
  • the first layer Nue and the second layer Nit can be combined into a single layer, for example a Nit layer.
  • An SD layer extends over the Nit layer.
  • an SOI substrate can serve as a support for the Nit layer and / or the SD layer.
  • the SD layer is a semiconductor layer having the particularity of being doped. The doping of the SD layer may be n-type or p-type, preferably n-type.
  • This doping can be obtained by incorporating the dopants (impurities) during the growth of the layer ("in situ" doping), by modifying the growth conditions to incorporate electrically active defects (gaps, complexes) or by implantation.
  • the impurities used for the doping may be chosen from the following elements: Si, Ge, O and Mg.
  • the SD layer may be partially etched to promote the conduction of electric currents on the suspended structure P.
  • the SD layer is a GaN gallium nitride semiconductor layer having the particularity of being doped.
  • the dopant concentration of the SD layer is preferably between 10 18 and 10 21 per cm 3.
  • the SD layer may be electrically connected to one or more electrical conduction channels, or these channels may extend into the Nit layer. .
  • the doping of one or more semiconductor layers, such as the SD layer, or the increase of their thickness, makes it possible to increase the electrical conduction of one or more channels by reducing the sheet resistance R s .
  • the ability to design a device with a square resistance that can be selected as less than 400 ohms per square is an important technical advantage of the invention.
  • the SD layer here plays an essential role for the operation of the microelectromechanical device as a transducer. When a stress is applied perpendicular to the plane of the layer, this strain produces a variation of electrical conductivity in SD, which can be measured.
  • the possibility of modulating the doping concentration and the thickness of the layer makes it possible to fix this electrical conductivity, and therefore the electrical resistance of the device. It will be noted that the realization of this stack does not impose constraints on the relative lengths of the Nue, Nit and SD layers, and that different types of architectures are possible.
  • the deposition of a doped layer of GaN is possible on all or part of the stack of layers constituting the suspended element P.
  • the mobile part of P can be obtained by etching an insulating layer .
  • a plurality of electrodes may be integrated in the layers of the stack to produce a transducer from the stack of semiconductor layers shown in FIG.
  • FIG. 4 illustrates a sectional view of an electromechanical device according to a first embodiment of the invention.
  • the invention incorporates the presence of an SD doped layer superimposing the stack of Sub, Naked and Nit layers.
  • This SD layer is discontinuous and has several disjoint SD layer elements.
  • one of these layer elements can be formed in the stack of layers constituting the beam P and another of these layer elements can be formed in the stack of layers superimposing the Sub substrate.
  • the arrangement and extent of these SD layer elements may vary according to the architectures of the invention.
  • the SD layer consists of doped GaN.
  • the SD layer can serve as a contact layer for integrating a plurality of electrodes.
  • any part of the SD layer lying on the moving part of the transducer that is to say on extensions of one or more layers extending beyond the edge E, may serve as piezoresistance for said transducer.
  • the integration of a field effect transistor can be carried out using source electrodes S, gate G and drain D integrated in the transducer.
  • the electrodes S and D are connected to the SD layer in order to make electrical contact with the material making up this layer.
  • the electrodes S and D may be separately integrated with two of said disassembled layer elements of the SD layer.
  • An electrical conduction channel is present between these disjointed layer elements.
  • a 2DEG bidimensional gas may be present in the Nit layer, and may form an electrical conduction channel between said layer elements.
  • the gate electrode G possibly consisting of a material different from that constituting the contacts S and D, extends on a surface of the Nit layer and makes it possible to modulate the passage of the current in said conduction channel.
  • the electrode G is electrically connected to the Nit layer.
  • the field effect transistor consisting of the electrodes S, G and D allows the operation of the device as a microelectromechanical transducer. These electrodes make it possible to inject an electric current into the transducer, to detect and / or to actuate any displacements of the mobile part P. We describe these functions in the context of FIG. 5.
  • the contacts S and D of this transistor can be made by depositing a metal such as titanium, aluminum, on the upper surface of the device. This deposit may be followed by an annealing step to allow diffusion of the dopants in the semiconductor material. Preferably, these steps are performed so that the contact or contacts formed are characterized by a very low resistivity. The minimization of the electrical resistivity of these so-called ohmic contacts makes it possible to facilitate the injection and / or the extraction of an electric current in the device.
  • the SD layer may have one or more functions: forming an electrical conduction channel on the suspended element P serving as a transducer, and / or constitute a layer forming an electrical contact with the channel of said transistor.
  • Figures 5a and 5b respectively show a sectional view and a plan view of a MEMS device according to a second embodiment of the invention.
  • the functional part of a transducer according to the invention is integrated in a suspended structure P, for example a semi-recessed beam, obtained by epitaxial semiconductor layers on a silicon Sub substrate.
  • the substrate and the suspended structure comprise a stack of Nue, Nit and SD semiconductor layers similar to that described for the first embodiment of the present invention.
  • the SD layer may be partially etched and located at least partially on the suspended element P.
  • the two layers Nit and SD are, for example, consist of undoped GaN and doped GaN, respectively, and extend over the Sub substrate. These layers extend beyond the edge E delimiting the support of P on S and / or one or more of the layers of the stack, to form the mobile mechanical structure of the device.
  • the functional part of the transducer also comprises at least two electrodes C01 and C02. These electrodes extend at least partially on a surface of the SD layer and / or the Nit layer. Typically, C01 and C02 can form expanded metal areas on the surface of the contact layer, and allow to lay a tip or perform a micro-welding.
  • the electrodes C01 and C02 may also include extensions PL1 and PL2, for example two metal tracks extending on the surface of the suspended element P.
  • the elements C02 and PL2 are not shown.
  • the extensions PL1 and PL2 are at least partially electrically connected to the SD layer.
  • the electrical contacts are subjected to a potential difference ⁇ V, for example by means of a voltage generator.
  • the electrode C01 is connected to a reference of mass.
  • the CO 2 electrode can be connected to an electronic circuit, for example a set of bias elements, to fix the operating point of the transducer.
  • These biasing elements typically comprise one or more sources of voltage or current, a set of one or more electrical resistors, one or more capacitors and / or one or more inductors.
  • an electric current can be injected into one of the two electrical contacts, for example CO 2. Under the effect of a potential difference applied, this current flows through the metal track PL2 towards the beam P. It then flows in the stack towards the lower part of P, and passes through the SD layer perpendicular to the plane of layer. When it reaches the lower part of the SD layer, the electric current then rises towards the upper part of the stack to join the metal track PL1, and flows in the plane to join the contact C01.
  • the electrical contacts form the operating electrodes of the device and are preferably ohmic contacts.
  • these ohmic contacts are metal-semiconductor contacts promoting the passage of an electric current in the device with a contact resistance as low as possible.
  • These ohmic contacts can be obtained by deposition of metal, for example titanium, nickel, aluminum or gold, on the upper surface of the SD layer. After this deposit, the contacts are annealed to facilitate the diffusion of the metal, which reduces the specific contact resistance.
  • the electrical connection connected to the transducer can also be adapted according to the required applications.
  • the device can be connected to different types of electrical fixtures, such as a measurement system comprising an ammeter, an ohmmeter and / or a voltmeter.
  • a voltmeter will be used as a measuring device for measuring the voltage variations produced at the terminals of the transducer when the beam flexes.
  • Other electrical assemblies of the MEMS are possible depending on the desired applications, for example as a Wheatstone bridge.
  • the architectures allowed for these embodiments make it possible to produce devices in which the surface bulk of the suspended element P is not limited by the dimensions of the Sub substrate.
  • the lateral space is often limited because of the small surface available on the upper faces of the moving part.
  • the dimensions of the conductive strip must also be small enough to avoid producing an electrical short circuit, which is a well known technical limitation of the transducers made in the current MEMS.
  • Figure 6 illustrates a plan view of a third embodiment of the invention.
  • the SD layer is etched in a loop pattern, a significant portion of the loop extending over the suspended portion P.
  • the loop ends with two larger surface portions in the loop. SD material, positions on which ohmic contacts C01 and C02 are formed.
  • FIG. 7 illustrates a plan view of a fourth embodiment of a transducer according to the invention, in which the SD layer is discontinuous and has two disjoint parts which extend on the beam P.
  • the 2DEG bidimensional gas of which the outline is shown in dashed lines in FIG. 7, is located in the Nit layer located under the visible plane of the SD layer.
  • an electric current injected into the electrode C01 successively passes through the extension PL1, the part of the SD layer on which PL1 extends, and descends in the two-dimensional gas 2DEG.
  • the electric current then rises in the portion of the SD layer on which PL2 extends, then passes through PL2 before reaching the CO 2 contact.
  • the current flows in these layers according to the geometry of the component and can be extracted by the electrodes C01 or C02.
  • FIG. 8 illustrates a microelectromechanical device according to a fifth embodiment of the invention for producing a transducer.
  • a Nit layer made for example of undoped GaN, superimposes a stack of layers as described above.
  • the integration of a transducer which extends on a movable beam P and the integration of a field effect transistor are made from a single SD-doped semiconductor layer.
  • a doped semiconductor layer SD1 extends in part on the beam P.
  • Two Bias + and Bias- pads extend on a surface of said layer SD1.
  • Said Bias + and Bias-pads form electrodes of said transducer, and are preferably made on the non-released part of the transducer on the beam P. Said electrodes allow the operation of the transducer by means of a potential difference applied thereto .
  • SD2 and SD3 layer elements of a doped semiconductor material extend over the surface of the Nit layer.
  • a two-dimensional 2DEG gas is located in the Nit layer located under the visible plane of the SD2 and SD3 layers, and between SD2 and SD3.
  • a field effect transistor consisting of electrodes S, G and D is thus produced.
  • the electrodes do not extend beyond the edge E on the beam P.
  • the source S and drain D electrodes extend over the disjoint layer elements SD2 and SD3.
  • the gate electrode G of the transistor extends along one or more interconnection extensions IC.
  • This interconnection IC is an electrode formed of a metal or the same material as the SD layer, and connects the gate G of the transistor to the Bias-metallic stud of the transducer.
  • the doped layers SD1, SD2 and SD3 here allow both the operation of the transducer on the beam P and the formation of an intermediate contact layer between the transistor's electrical conduction channel and the source S and drain D electrodes.
  • the embodiments described in the present invention make it possible to design MEMS characterized by electrical resistances of less than 100 ohms per square.
  • transistors whose conduction channel has a low electrical resistance, as close as possible to 50 ohms.
  • These ranges of resistors are particularly interesting for the development of components capable of providing a high electrical measurement bandwidth, or for the operation of transducers under extreme temperature conditions.
  • This technical advantage is also of considerable interest for interfacing transducers with other electronic components, in various architectures and operating configurations.
  • the possibility of reducing the electrical resistance of such transducers as a function of the doping level of the GaN layers present, independently of the other parameters, advantageously reduces the thermal noise generated by these devices.

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Abstract

Le dispositif microélectromécanique proposé comprend un empilement de couches semi-conductrices comportant un substrat (Sub), une première couche (Nue), une deuxième couche (Nit) et une troisième couche (SD) d'un matériau semi-conducteur. Au moins l'une desdites couches est constituée d'un matériau semi-conducteur piézoélectrique dopé, de préférence réalisée en GaN dopé par du Si, Ge, 0 ou Mg. Ledit empilement peut comprendre un élément suspendu telle qu'une poutre (P), formée par des prolongements d'une ou de plusieurs desdites couches s'étendant au-delà d'un bord (E) dudit substrat. Un dispositif microélectromécanique selon l'invention peut comprendre une pluralité d'électrodes (S, G, D) connectées à ladite deuxième couche, et/ou à ladite troisième couche, et/ou à un gaz bidimensionnel (2DEG) de porteurs de charge.

Description

Transducteur électromécanique à base de nitrure de gallium dopé.
La présente invention concerne un empilement de couches semi- conductrices, destiné à la réalisation d'un dispositif microélectromécanique, par exemple un transducteur, comportant au moins trois couches semi-conductrices supportées par un même substrat, l'une de ces couches étant constituée d'un matériau lll-N semi-conducteur piézoélectrique dopé.
Les transducteurs microélectromécaniques, ou MEMS (pour Micro- Electro-Mechanical Systems en anglais), permettent de convertir une grandeur mécanique en un signal électrique, et réciproquement. Ces dispositifs ont connu un développement important dans les dernières décennies. Fabriqués à l'aide de techniques empruntées à la microélectronique, ces dispositifs comportent typiquement des éléments mécaniques de dimensions submillimétriques (poutres encastrées, membranes...), ainsi que des actionneurs pour mettre en mouvement des éléments mécaniques et/ou des capteurs pour détecter le mouvement d'éléments mécaniques. Lorsque les dimensions caractéristiques de ces dispositifs sont inférieures au micromètre, on parle parfois de systèmes nanoélectromécaniques, ou NEMS (pour Nano- Electro- Mechanical Systems en anglais). Dans la suite, les expressions « MEMS » et « dispositif micromécaniques » seront utilisées dans un sens large, incluant les dispositifs et systèmes nanoélectromécaniques (NEMS).
La détection du mouvement à l'échelle micromécanique se heurte encore à des difficultés importantes, qui limitent les potentialités des systèmes microélectromécaniques. Les difficultés sont essentiellement dues au fait que le signal de sortie d'un capteur miniaturisé est généralement de très faible amplitude, et est donc fortement affecté soit par le bruit thermique, soit par l'impédance des câbles ou du circuit de mesure qui peut être déporté. Ce problème est particulièrement aigu dans le cas des MEMS de dimensions réduites et qui doivent fonctionner à des températures supérieures à 150 °C. Actuellement, de nombreux transducteurs sont réalisés sur des substrats semi-conducteurs. En particulier, les transducteurs piézorésistifs à base de silicium comptent parmi les dispositifs les plus utilisés dans l'industrie électronique. Ces capteurs peuvent comporter des zones dopées, par exemple par du phosphore, du bore, ou de l'arsenic. Ce dopage permet de définir des contacts ohmiques ou de réaliser l'intégration de transducteurs piézorésistifs, soit par la disposition de transistors co-intégrés.
Cependant, il est bien connu de l'homme de métier que la performance des MEMS à base de tels matériaux est limitée par plusieurs facteurs. A haute température, la diffusion de ces dopants pose un problème de dégradation de ces composants. De plus les propriétés électriques des matériaux utilisés, notamment le silicium, deviennent difficiles à maîtriser à haute température, notamment leur conductivité. L'emploi de nitrures d'éléments du groupe III, tels que le nitrure de gallium Ga, d'aluminium Al, d'indium In, de bore B ou encore des alliages de ces éléments, permet de résoudre de nombreuses limitations techniques. Ces matériaux semi-conducteurs sont en effet particulièrement intéressants pour des raisons de stabilité mécanique, et de conductivité thermique. Le document WO2012/107888 divulgue par exemple un MEMS comprenant une première couche en GaN déposée sur un substrat de silicium, une deuxième couche en AIGaN déposée sur cette première couche, et une structure d'actionnement. La combinaison de ces différents matériaux à la fois semi-conducteurs et piézoélectriques forme une hétérostructure, et permet de confiner un gaz bidimensionnel de porteurs de charge entre les deux couches, produisant un canal de conduction à haute mobilité électronique. Une caractéristique intrinsèque d'un tel canal de conduction est définie par la résistance de feuille Rs, mesurée en ohms.
Les gaz bidimensionnels de porteurs peuvent être exploités pour la conception de transistors à effet de champ à haute mobilité électronique HEMT (pour High-electron-mobility transistor en anglais), permettant la réalisation de capteurs de contraintes mécaniques hautement performants. Typiquement, ces gaz bidimensionnels peuvent être présents au repos, soit obtenus par l'application d'une différence de potentiel aux bornes du dispositif. Le document US2007/017621 1 divulgue ainsi des MEMS de type à micro-poutre, réalisés en hétérostructure AIGaN/GaN, et dans lesquels les mouvements de la micro- poutre sont détectés à l'aide d'un transistor de type HEMT intégré à l'hétérostructure.
Toutefois, il est connu de l'état de l'art pour l'épitaxie de GaN sur silicium que les hétérostructures les plus aisément obtenues, telles que AlxGa-i-xN (avec x un nombre compris entre 0,2 et 0,3), permettent de disposer d'un gaz bidimensionnel de porteurs dont la résistance de feuille est comprise entre 300 et 500 Ohms pour des HEMTs. Pour abaisser cette résistance de feuille en dessous de 250 Ohms, on fait intervenir des valeurs de x élevées, ce qui crée des contraintes mécaniques et/ou d'autres difficultés lors de la croissance épitaxiale. De façon générale, la concentration de porteurs est également limitée dans ce type d'hétérostructure par les propriétés physiques des matériaux tels que la polarisation spontanée et l'épaisseur de la couche barrière. De plus la mobilité est limitée. En outre, le fonctionnement de tels dispositifs en présence de températures supérieures à 1 50 °C reste difficile à mettre en œuvre avec ces technologies car celles-ci sont limitées par les métallurgies mises en œuvre, qui conduisent à l'apparition de défaillances électriques.
La présente invention vise donc à résoudre les inconvénients précités en modifiant l'architecture des dispositifs microélectromécaniques connus de l'état de l'art.
A cet effet, l'invention propose un empilement de couches semi-conductrices comportant : un substrat ; une première couche d'un matériau semi-conducteur, déposée sur ledit substrat ; une deuxième couche d'un matériau semiconducteur, déposée sur ladite première couche ; une troisième couche d'un matériau semi-conducteur, déposée sur ladite deuxième couche ; et caractérisé en ce qu'au moins l'une des première, deuxième et troisième couche est constituée d'un matériau semi-conducteur piézoélectrique dopé de manière à produire un très grand nombre de porteurs de charge électrique.
Avantageusement, ledit empilement comporte en outre au moins un élément suspendu formé par des prolongements d'une ou de plusieurs desdites couches s'étendant au-delà d'un bord dudit substrat, ledit élément suspendu étant encastré sur une partie de son périmètre au niveau dudit bord, et présente de préférence une forme choisie entre : une poutre ; une membrane ; un disque ; ou une plaque.
Avantageusement, la troisième couche comporte une épaisseur comprise entre 0,05 et 20 microns (μηπ), préférentiellement 0,1 à 2 microns (μηπ). Avantageusement, la première couche et la deuxième couche sont confondues.
Avantageusement, au moins une desdites première, deuxième et/ou troisième couche est réalisée en un matériau de type lll-N, l'élément du groupe III étant choisi parmi Al, Ga, In, B ou tout alliage de ces éléments.
Avantageusement, les éléments utilisés pour le dopage du matériau de au moins l'une des première, deuxième et troisième couche sont choisis parmi Si, Ge, O et Mg.
Avantageusement, ladite troisième couche est réalisée en GaN dopé.
Avantageusement, la troisième couche est caractérisée par une concentration en éléments dopants comprise entre 1018 et 1021 par cm3. Avantageusement, ladite troisième couche est connectée électriquement à au moins un canal de conduction électrique, ledit canal de conduction électrique s'étendant dans ladite deuxième couche. Avantageusement, ladite deuxième couche comporte une hétérostructure confinant un gaz bidimensionnel de porteurs de charge (2DEG), ledit gaz bidimensionnel formant canal de conduction électrique.
La présente invention se rapporte également à un dispositif microélectromécanique comportant un tel empilement de couches semi- conductrices, et et comprenant en outre au moins deux électrodes, au moins deux desdites électrodes étant connectées à ladite deuxième couche, et/ou à ladite troisième couche, et/ou à un gaz bidimensionnel de porteurs de charge. Avantageusement, au moins une des électrodes est réalisée en GaN dopé.
Avantageusement, lesdites électrodes s'étendent au moins partiellement sur une surface de ladite troisième couche et/ou de ladite deuxième couche.
Avantageusement, chacune desdites électrodes comporte au moins un prolongement qui s'étend à la surface dudit élément suspendu, et est connecté électriquement à la troisième couche. Avantageusement, au moins une desdites électrodes est un contact ohmique, le matériau composant ledit contact ohmique étant de préférence choisi parmi du titane, du nickel, de l'aluminium ou de l'or.
Avantageusement, lesdites électrodes forment les contacts d'un transistor à effet de champ. Dans ce contexte, les inventeurs ont découvert que le dopage de nitrures d'éléments III constitue une approche particulièrement innovante. Les propriétés électriques d'un empilement de couches semi-conductrices incluant une couche de nitrure de gallium GaN, notamment, peuvent être modifiées grâce à un dopage approprié, ce qui permet d'ajuster la résistivité électrique du dispositif sur une large gamme de valeurs.
Les transducteurs MEMS selon l'invention sont caractérisés en ce qu'au moins l'une des première, deuxième et troisième couche est réalisée en un matériau semi-conducteur piézoélectrique dopé. La présente invention porte sur un dispositif microélectromécanique dont le fonctionnement combine à la fois la réalisation d'une hétérostructure d'éléments lll-N et le dopage d'un matériau semi-conducteur et piézoélectrique au sein du même transducteur.
Ces caractéristiques permettent à l'invention de s'affranchir totalement ou partiellement de la présence d'un gaz bidimensionnel de porteurs de charge. Ces caractéristiques permettent également de concevoir des transducteurs microélectromécaniques pouvant fonctionner de façon prolongée à des températures supérieures à 150 °C. En outre, la possibilité d'abaisser la résistivité électrique des transducteurs MEMS permet d'augmenter leurs performances en tant que capteurs et/ou actionneurs notamment en abaissant le seuil de bruit thermique. Ceci constitue une avancée importante pour le développement de MEMS compatibles avec des environnements hostiles et pouvant être interfacés électroniquement avec d'autres étages de mesure.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
- la figure 1 , une vue en coupe d'un empilement de couches semi- conductrices selon l'état de la technique.
- la figure 2, une vue en coupe d'un exemple de dispositif microélectromécanique selon l'état de la technique.
- la figure 3, une vue en coupe d'un empilement de couches semi- conductrices selon l'invention. - la figure 4, une vue en coupe d'un dispositif microélectromécanique selon un premier mode de réalisation de l'invention.
- les figures 5a et 5b, respectivement, une vue en plan et une vue en coupe d'un dispositif microélectromécanique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
- la figures 6, une vue en plan d'un dispositif microélectromécanique selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
- la figure 7, une vue en plan d'un dispositif microélectromécanique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
- la figure 8, une vue en plan d'un dispositif microélectromécanique selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
On remarquera ici que les figures ne sont pas à l'échelle, et que la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation précités.
La conception des MEMS repose généralement sur l'empilement de différentes couches semi-conductrices piézoélectriques. Cet empilement de couches permet de réaliser un canal de conduction favorisant le passage d'un courant électrique, avec une résistance électrique déterminée. Cette résistance est susceptible de varier par effet piézoélectrique lorsque le dispositif est soumis à une contrainte mécanique. Sur la base de cet effet, un MEMS peut convertir une grandeur mécanique en un signal électrique de telle sorte par exemple qu'il peut être utilisé en tant que capteur d'accélération. De manière similaire, un MEMS peut servir d'actionneur pour produire un déplacement mécanique en cas d'application d'un courant électrique et/ou d'une différence de potentiel.
La figure 1 montre un empilement de couches semi-conductrices et piézoélectriques selon l'état de la technique. Tel que représenté, ce dispositif comprend une hétérostructure pour confiner un gaz bidimensionnel de porteurs de charge. L'empilement des couches est réalisé à partir d'un substrat Sub, composé par exemple de silicium Si. Ce substrat est gravé de manière chimique, de manière lithographique ou par tout autre moyen. De préférence, la couche Sub est gravée de sorte à pouvoir libérer une structure de couches de nitrures d'éléments III. Ces couches sont par exemple constituées de GaN, d'AIN, d'InN ou de tout alliage d'éléments de type lll-N. Ces éléments possèdent la propriété d'être à la fois des matériaux semi-conducteurs et piézoélectriques.
Une première couche Nue, dite de nucléation, s'étend sur le substrat Sub. Cette couche peut être composée de GaN ou d'AIN, réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD, pour Chemical Vapor Déposition), ou encore par épitaxie sous jets moléculaires (ou MBE, pour Molecular Beam Epitaxy) à haute température. Une couche Nit, appelée couche « tampon », s'étend au-dessus de la couche Nue. Cette couche Nit est composée d'un alliage de nitrures d'éléments Ga, Al, In et/ou B, par exemple de GaN. Cette couche assure une transition douce entre plusieurs matériaux présentant une structure cristalline différente. A cet égard, l'empilement peut également inclure une ou plusieurs autres couches supplémentaires pour favoriser la croissance orientée des couches supérieures par épitaxie.
Une couche Nit2 appelée couche « barrière » et composée d'un alliage contenant de l'aluminium tel AlInGaN ou AIGaN s'étend sur la couche Nit et comporte une épaisseur comprise typiquement entre 15 et 30 nanomètres. L'empilement de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs de nature différente, par exemple Si pour le substrat, GaN pour la couche de nucléation et/ou la couche Nit, et AIGaN pour la couche barrière Nit2, permet de constituer une hétérostructure. Cette hétérostructure confine un gaz bidimensionnel de porteurs de charge, plus précisément un gaz bidimensionnel d'électrons 2DEG (2DEG, pour 2-Dimensional Electron Gas en anglais), dans la partie supérieure de la couche Nit. Ce gaz bidimensionnel est représenté symboliquement par une région délimitée par une ligne en pointillés sur la figure 1 , et sert de canal de conduction au dispositif. Les porteurs de charge se déplacent dans la couche 2DEG, et bénéficient d'une mobilité électronique significativement supérieure à celle des autres couches du dispositif. Un tel gaz bidimensionnel de porteurs peut être exploité pour réaliser, par exemple, un transistor à effet de champ de type HEMT qui constitue un excellent capteur de contraintes mécaniques.
Les matériaux utilisés pour constituer les différentes couches de ce dispositif sont semi-conductrices et piézoélectriques. Lorsqu'une déformation apparaît dans le matériau composant la couche incluant la couche 2DEG, par exemple sous l'effet d'une sollicitation mécanique extérieure, il en résulte une modification du nombre de porteurs de charge. De cette modification résulte une modulation de la conductivité électrique de la couche, proportionnellement à la contrainte correspondante. Cet effet dit piézorésistif permet la réalisation d'un transducteur électromécanique de type MEMS.
La figure 2 est une vue en coupe d'un transducteur microélectromécanique selon l'état de la technique, en particulier un capteur ou une structure d'actionnement piézoélectrique comprenant un transistor à effet de champ. Les couches Nue et Nit reposent sur le substrat Sub. La couche Sub sert de support mécanique au transducteur. Au-dessus de la couche Nit s'étend une couche Nit2. La couche Nit2 est composée d'un matériau semi- conducteur piézoélectrique différent du matériau semi-conducteur composant la couche Nit, et est d'épaisseur plus faible que la couche Nit. L'hétérostructure formée par la jonction de la couche Nit et de la couche Nit2 permet éventuellement de confiner un gaz bidimensionnel de porteurs 2DEG, pouvant former un canal de conduction sous la face supérieure du transducteur.
Afin de réaliser un capteur piézorésistif, par exemple un accéléromètre, le transducteur représenté à la figure 2 intègre un élément suspendu P, typiquement une structure mobile de forme quelconque. Typiquement, P est formée par le prolongement d'une ou de plusieurs des couches Nue, Nit et Nit2 telles que précédemment décrites, et s'étend au-delà de l'un des bords E du substrat Sub. Les dimensions de ces différentes couches sont déterminées lors de la fabrication du transducteur. L'élément suspendu P peut être formé d'une poutre encastrée à l'une ou deux de ses extrémités, d'une membrane, d'un disque, d'une plaque, ou de toute autre type de structure encastrée sur une partie de son périmètre au niveau de l'un des bords E. Cet élément suspendu P peut être soit rigide, soit déformable sous la contrainte. Pour la réalisation d'un MEMS tel qu'un capteur ou un actionneur piézoélectrique, plusieurs électrodes peuvent être intégrées à cette structure. Ces électrodes peuvent former un ou plusieurs transistors avec les couches Nit et Nit2. L'intégration de ces électrodes peut se faire au moyen de différentes étapes de fabrication, incluant une ou plusieurs phases de dépôt, d'étuvage, de cuisson, de polymérisation et/ou de phases d'élimination d'éventuelles couches sacrificielles.
Comme illustré à la figure 2, ce transistor est par exemple un transistor à effet de champ. Les électrodes de ce transistor à effet de champ, appelées drain D, source S et grille G, sont intégrées aux couches supérieures du transducteur, par exemple la couche Nit2 et/ou le gaz bidimensionnel 2DEG. Typiquement, les électrodes S et D sont disposées de sorte à être en contact avec le gaz bidimensionnel de porteurs confiné dans l'empilement des couches Nit et Nit2, tandis que l'électrode G s'étend uniquement sur la couche Nit2. Lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée à l'une ou plusieurs des couches semi-conductrices formant l'empilement, en particulier lorsque la couche Nit subit une contrainte mécanique perpendiculaire au plan de la couche, la variation du nombre de porteurs dans le canal de conduction 2DEG génère une variation de la conductivité électrique de celui-ci. Cette variation de conductivité génère un signal électrique mesurable au niveau des électrodes du transistor. Ce dispositif est équivalent à une résistance électrique variable R. Dans le cas d'un MEMS fonctionnant en tant que capteur, il est ainsi possible d'enregistrer les variations de tension aux bornes de cette résistance R lorsque le MEMS subit une contrainte mécanique. Dans le cas d'un MEMS incluant une structure d'actionnement piézoélectrique, l'injection d'un courant électrique et/ou l'application d'une différence de potentiel à ses bornes permet de générer un déplacement mécanique à l'intérieur de la couche, ce qui permet à son tour de provoquer un actionnement de la partie mobile du MEMS, par exemple une flexion de la poutre P.
Pour un dispositif comportant une hétérojonction de deux couches semi- conductrices, par exemple Nit et Nit2 sur la figure 2, la résistivité électrique du gaz bidimensionnel 2DEG peut se caractériser par une résistance de feuille Rs. Le canal de conduction formé par la région 2DEG peut ainsi être caractérisé en fonction de Rs, avec Rs = p/w, p et w correspondant, respectivement, à la résistivité électrique et à l'épaisseur dudit canal de conduction. Cette résistance est définie en Ohms par carré car elle correspond à la valeur de la résistance électrique de la couche mesurée entre deux contacts espacés d'une distance égale à leur largeur. Il est connu de l'état de la technique que dans le cas d'une hétérojonction du type GaN/AIGaN, la valeur de Rs dépend directement du pourcentage d'aluminium présent dans l'alliage d'AIGaN formant la couche barrière Nit2, ainsi que de son épaisseur. Il est également connu qu'il est difficile de poursuivre la réduction de la résistance du canal en augmentant la fraction molaire d'AI au-delà de 30%. Ce facteur limite donc considérablement la réalisation d'un transducteur comprenant une hétérojonction du type GaN/AIGaN.
II est connu de l'état de l'art que la mobilité électronique d'une couche semi-conductrice dopée est généralement inférieure à la mobilité électronique d'un gaz bidimensionnel de porteurs. Le but de la présente invention est ainsi de proposer un dispositif électromécanique présentant des performances améliorées par rapport aux MEMS connus de l'état de l'art. De manière surprenante, les inventeurs ont découvert que l'utilisation de matériaux piézoélectriques dopés constituait une solution avantageuse pour réaliser un transducteur piézorésistif. Notamment, l'utilisation de propriétés particulières du nitrure de gallium GaN dopé permet de fixer la densité de porteurs dans le canal bidimensionnel. Les propriétés de la présente invention permettent d'assurer un effet de transduction par écrantage de la charge piézoélectrique, similairement à l'effet de transduction pouvant être généré par une hétérostructure de type GaN/AIGaN. Cette utilisation permet également la réalisation d'un dispositif caractérisé par une faible résistance électrique. En outre, la réalisation d'une hétérostructure s'affranchissant de la couche 2DEG pour la réalisation de dispositifs microélectroniques plus performants que les MEMS actuels, constitue un avantage de la présente invention.
En particulier, les inventeurs ont constaté que le dépôt d'une couche semi-conductrice de GaN dopé sur une couche de GaN non dopé permet de réaliser un MEMS surmontant les difficultés techniques précédemment mentionnées. L'amélioration du transport des porteurs de charge au sein d'un milieu dopé permet de s'affranchir de plusieurs limites techniques connues des MEMS actuels en termes de performances électroniques, notamment de réduire la résistivité électrique du dispositif et de faciliter la fabrication des contacts permettant de connecter électriquement le transducteur au monde extérieur. Ceci permet d'augmenter la sensibilité des MEMS en tant que capteur et/ou actionneur. Parmi d'autres avantages techniques mis en évidence, on peut citer la diminution du nombre d'étapes de fabrication, ainsi que le fonctionnement avantageux du capteur en présence de températures supérieures à 150 °C, ce que ne permettent pas facilement les technologies de transducteurs MEMS réalisées jusqu'alors sur les couches minces de nitrures. La figure 3 illustre une vue en coupe d'un empilement de couches semi- conductrices selon l'invention. Comme précédemment, un empilement de couches Nue et Nit est formé sur un substrat Sub pour réaliser un élément suspendu P. Cet élément suspendu est encastré sur une partie de son périmètre et peut être une poutre, une membrane, un disque ou une plaque. La couche Sub, constituée par exemple de silicium, sert à la fois de support mécanique et d'isolant électrique pour les couches supérieures de l'empilement. La couche Nue s'étend au moins partiellement sur la couche Sub et forme une couche dite de nucléation. Cette couche Nue peut être soit une couche de silicium, par exemple la couche active d'un substrat SOI (silicium sur isolant), soit une couche de nitrures d'éléments (Ga, Al, In, B), ou un autre matériau à même d'améliorer la croissance cristalline sur la couche Sub (SiC cubique, oxyde de terre rare etc .). Nue peut être configurée pour favoriser la nucléation. De manière non limitative, Nue est caractérisée par une épaisseur comprise entre 0,01 et 1 microns (μηπ), et préférentiellement entre 0,05 et 0,1 microns (μιη).
La couche tampon Nit qui s'étend sur la couche Nue est composée d'un alliage de nitrures d'éléments (Ga, Al, In, B). Cet alliage est de préférence constitué de GaN non dopé. La première couche Nue et la deuxième couche Nit peuvent être confondues en une seule couche, par exemple une couche Nit. Une couche SD s'étend sur la couche Nit. En particulier, un substrat SOI peut servir de support à la couche Nit et/ou à la couche SD. La couche SD est une couche semi-conductrice ayant la particularité d'être dopée. Le dopage de la couche SD peut être de type n ou de type p, de préférence de type n. Ce dopage peut être obtenu en incorporant les dopants (impuretés) pendant la croissance de la couche (dopage dit « in situ »), en modifiant les conditions de croissance pour incorporer des défauts électriquement actifs (lacunes, complexes) ou par implantation. Les impuretés utilisées pour le dopage peuvent être choisies parmi les éléments suivants: Si, Ge, O et Mg. La couche SD peut être gravée partiellement pour favoriser la conduction de courants électriques sur la structure suspendue P. La couche SD est une couche semi-conductrice de nitrure de gallium GaN ayant la particularité d'être dopée. La concentration en dopants de la couche SD est préférentiellement comprise entre 1018 et 1021 par cm3.. La couche SD peut être connectée électriquement à un ou plusieurs canaux de conduction électrique, ce ou ces canaux pouvant s'étendre dans la couche Nit. Le dopage de l'une ou de plusieurs couches semi-conductrices comme la couche SD, ou encore l'augmentation de leur épaisseur, permet d'augmenter la conduction électrique d'un ou de plusieurs canaux en réduisant la résistance de feuille Rs. De plus, la possibilité de concevoir un dispositif avec une résistance par carré pouvant être choisie inférieure à 400 ohms par carré, constitue un avantage technique important de l'invention.
La couche SD joue ici un rôle essentiel pour le fonctionnement du dispositif microélectromécanique en tant que transducteur. Lorsqu'une contrainte est appliquée perpendiculairement au plan de la couche, cette contrainte produit une variation de conductivité électrique dans SD, qui peut être mesurée.
Considérant une couche SD constituée de GaN dopé, la possibilité de moduler la concentration de dopage et l'épaisseur de la couche permet de fixer cette conductivité électrique, et donc la résistance électrique du dispositif. On remarquera que la réalisation de cet empilement n'impose pas de contraintes sur les longueurs relatives des couches Nue, Nit et SD, et que différents types d'architectures sont envisageables. En particulier, le dépôt d'une couche dopée de GaN est possible sur tout ou une partie de l'empilement des couches constituant l'élément suspendu P. De même, la partie mobile de P peut être obtenue par gravure d'une couche isolante.
Différentes architectures et différents types de composants électriques peuvent être intégrés à cet empilement de couches pour réaliser un MEMS. En particulier, une pluralité d'électrodes peut être intégrée aux couches de l'empilement pour réaliser un transducteur à partir de l'empilement de couches semi-conductrices représenté à la figure 3.
La figure 4 illustre une vue en coupe d'un dispositif électromécanique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Comme représenté, l'invention intègre la présence d'une couche dopée SD superposant l'empilement de couches Sub, Nue et Nit. Cette couche SD est discontinue et présente plusieurs éléments de couche SD disjoints. Notamment, l'un de ces éléments de couche peut être formé dans l'empilement des couches constituant la poutre P et un autre de ces éléments de couche peut être formé dans l'empilement des couches superposant le substrat Sub. La disposition et l'étendue de ces éléments de couche SD pourra varier selon les architectures de l'invention.
De préférence, la couche SD est constituée de GaN dopé. La couche SD peut servir de couche de contact pour l'intégration d'une pluralité d'électrodes. En outre, toute partie de la couche SD se situant sur la partie mobile du transducteur, c'est-à-dire sur des prolongements d'une ou de plusieurs couches s'étendant au-delà du bord E, peut servir de piézorésistance pour ledit transducteur.
En particulier, l'intégration d'un transistor à effet de champ peut être réalisée à l'aide d'électrodes de source S, de grille G et de drain D intégrées au transducteur. Typiquement, les électrodes S et D sont connectées sur la couche SD afin de réaliser un contact électrique avec le matériau composant cette couche. Par exemple, les électrodes S et D peuvent être intégrées, séparément, à deux desdits éléments de couche disjoints de la couche SD. Un canal de conduction électrique est présent entre ces éléments de couche disjoints. En particulier, un gaz bidimensionnel 2DEG peut être présent dans la couche Nit, et peut former un canal de conduction électrique entre lesdits éléments de couche. L'électrode de grille G, éventuellement constituée d'un matériau différent de celui constituant les contacts S et D, s'étend sur une surface de la couche Nit et permet de moduler le passage du courant dans ledit canal de conduction.
L'électrode G est connectée électriquement à la couche Nit. Le transistor à effet de champ constitué des électrodes S, G et D permet le fonctionnement du dispositif en tant que transducteur microélectromécanique. Ces électrodes permettent d'injecter un courant électrique dans le transducteur, de détecter et/ou d'actionner d'éventuels déplacements de la partie mobile P. Nous décrivons ces fonctions dans le cadre de la figure 5.
Les contacts S et D de ce transistor peuvent être réalisés par dépôt d'un métal comme du titane, de l'aluminium, , sur la surface supérieure du dispositif. Ce dépôt peut être suivi d'une étape de recuit pour permettre la diffusion des dopants dans le matériau semi-conducteur. De préférence, ces étapes sont réalisées de sorte à ce que le ou les contacts formés soient caractérisés par une très faible résistivité. La minimisation de la résistivité électrique de ces contacts dits ohmiques permet de faciliter l'injection et/ou l'extraction d'un courant électrique dans le dispositif.
Pour un mode de réalisation comprenant au moins un transistor et un élément suspendu, la couche SD peut présenter une ou plusieurs fonctions : former un canal de conduction électrique sur l'élément suspendu P, servant de transducteur, et/ou constituer une couche formant un contact électrique avec le canal dudit transistor.
Les figures 5a et 5b illustrent respectivement une vue en coupe et une vue en plan d'un dispositif MEMS selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Comme représenté en coupe sur la figure 5a, la partie fonctionnelle d'un transducteur selon l'invention est intégrée à une structure suspendue P, par exemple une poutre semi-encastrée, obtenue par épitaxie de couches semi- conductrices sur un substrat Sub en silicium. Le substrat et la structure suspendue comprennent un empilement de couches semi-conductrices Nue, Nit et SD semblable à celui décrit pour le premier mode de réalisation de la présente invention. La couche SD peut être gravée partiellement et située au moins partiellement sur l'élément suspendu P. Les deux couches Nit et SD sont, par exemple, constituées de GaN non dopé et de GaN dopé respectivement, et s'étendent sur le substrat Sub. Ces couches se prolongent au-delà du bord E délimitant le support de P sur S et/ou l'une ou plusieurs des couches de l'empilement, pour former la structure mécanique mobile du dispositif.
La partie fonctionnelle du transducteur comprend également au moins deux électrodes C01 et C02. Ces électrodes s'étendent au moins partiellement sur une surface de la couche SD et/ou de la couche Nit. Typiquement, C01 et C02 peuvent former des zones métalliques élargies à la surface de la couche de contact, et permettent de poser une pointe ou de réaliser une microsoudure. Les électrodes C01 et C02 peuvent également comporter des prolongements PL1 et PL2, par exemple deux pistes de métal s'étendant à la surface de l'élément suspendu P.
Sur la figure 5b en coupe, les éléments C02 et PL2 ne sont pas représentés. De préférence, mais de manière non limitative, les prolongements PL1 et PL2 sont au moins partiellement connectés électriquement à la couche SD. Pour permettre le fonctionnement du transducteur, les contacts électriques sont soumis à une différence de potentiel AV, par exemple à l'aide d'un générateur de tension. L'électrode C01 est connectée à une référence de masse. L'électrode C02 peut être connectée à un circuit électronique, par exemple un ensemble d'éléments de polarisation, pour fixer le point de fonctionnement du transducteur. Ces éléments de polarisation comprennent typiquement une ou plusieurs sources de tension ou de courant, un ensemble d'une ou plusieurs résistances électriques, une ou plusieurs capacités et/ou une ou plusieurs inductances.
Le fonctionnement d'un MEMS combinant une couche de GaN dopé apparaît plus clairement sur la base de la description de la circulation d'un courant électrique dans le dispositif. Pour permettre le fonctionnement d'un transducteur en tant que capteur ou en tant qu'actionneur selon l'invention, un courant électrique peut être injecté dans l'un des deux contacts électriques, par exemple C02. Sous l'effet d'une différence de potentiel appliquée, ce courant traverse la piste de métal PL2 en direction de la poutre P. Il circule ensuite dans l'empilement vers la partie inférieure de P, et traverse la couche SD perpendiculairement au plan de la couche. Lorsqu'il atteint la partie inférieure de la couche SD, le courant électrique remonte ensuite vers la partie supérieure de l'empilement pour rejoindre la piste de métal PL1 , et circule dans le plan pour rejoindre le contact C01.
Les contacts électriques forment les électrodes d'actionnement du dispositif et sont, de préférence, des contacts ohmiques. Typiquement, ces contacts ohmiques sont des contacts métal-semi-conducteur favorisant le passage d'un courant électrique dans le dispositif avec une résistance de contact aussi faible que possible. Ces contacts ohmiques peuvent être obtenus par dépôt de métal, par exemple du titane, du nickel, de l'aluminium ou de l'or, sur la surface supérieure de la couche SD. Après ce dépôt, les contacts sont recuits pour faciliter la diffusion du métal, ce qui permet de diminuer la résistance spécifique de contact.
On remarquera que différentes configurations d'architecture possibles sont permises par l'invention. Outre les dimensions du substrat Sub, des couches Nue, Nit, SD, le positionnement relatif de ces différentes couches, l'architecture des pistes conductrices ou encore les délimitations des parties dopées, le montage électrique connecté au transducteur peut également être adapté en fonction des applications requises. Pour mesurer une variation de tension ou de courant dans le transducteur, le dispositif peut être relié à différents types de montages électriques, comme un système de mesure comprenant un ampèremètre, un ohmmètre et/ou un voltmètre. Si l'on impose par exemple le passage d'un courant électrique d'une certaine intensité au moyen d'éléments de polarisation, on utilisera un voltmètre comme appareil de mesure pour mesurer les variations de tension produites aux bornes du transducteur lorsque la poutre fléchit. D'autres montages électriques du MEMS sont envisageables selon les applications recherchées, par exemple en tant que pont de Wheatstone.
Les architectures permises pour ces modes de réalisation permettent de produire des dispositifs où l'encombrement en surface de l'élément suspendu P n'est pas limité par les dimensions du substrat Sub. Dans le cas de MEMS comprenant des éléments suspendus encastrés, l'encombrement latéral est souvent limité en raison de la faible surface disponible sur les faces supérieures de la partie mobile. Les dimensions de la bande conductrice doivent aussi être suffisamment petites pour éviter de produire un court-circuit électrique, ce qui constitue une limitation technique bien connue des transducteurs réalisées dans les MEMS actuels.
La figure 6 illustre une vue en plan d'un troisième mode de réalisation de l'invention. Selon l'invention, la couche SD est gravée selon un motif de boucle, une partie significative de la boucle s'étendant sur la partie suspendue P. Sur la partie non suspendue, la boucle se termine par deux portions de surface plus importante dans le matériau SD, postions sur lesquelles des contact ohmiques C01 et C02 sont formés.
La figure 7 illustre une vue en plan d'un quatrième mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention, où la couche SD est discontinue et présente deux parties disjointes qui s'étendent sur la poutre P. Le gaz bidimensionnel 2DEG, dont le contour est représenté en pointillés sur la figure 7, se situe dans la couche Nit située sous le plan visible de la couche SD. Lorsque le dispositif est soumis à une différence de potentiel, un courant électrique injecté dans l'électrode C01 traverse successivement le prolongement PL1 , la partie de la couche SD sur laquelle s'étend PL1 , et descend dans le gaz bidimensionnel 2DEG. Le courant électrique remonte ensuite dans la partie de la couche SD sur laquelle s'étend PL2, puis traverse PL2 avant d'atteindre le contact C02. Le courant circule dans ces couches en suivant la géométrie du composant et peut être extrait par les électrodes C01 ou C02.
La figure 8 illustre un dispositif microélectromécanique selon un cinquième mode de réalisation de l'invention pour la réalisation d'un transducteur. Selon cet exemple de réalisation, une couche Nit, réalisée par exemple en GaN non dopé, superpose un empilement de couches tel que décrit précédemment. L'intégration d'un transducteur qui s'étend sur une poutre mobile P et l'intégration d'un transistor à effet de champ sont réalisées à partir d'une même couche semi-conductrice dopée SD.
Une couche semi-conductrice dopée SD1 s'étend en partie sur la poutre P. Deux plots Bias+ et Bias- s'étendent sur une surface de ladite couche SD1. Lesdits plots Bias+ et Bias- forment des électrodes dudit transducteur, et sont de préférence réalisés sur la partie non libérée du transducteur sur la poutre P. Lesdites électrodes permettent le fonctionnement du transducteur à l'aide d'une différence de potentiel qui leur est appliquée.
Selon ce même mode de réalisation, des éléments de couche SD2 et SD3 d'un matériau semi-conducteur dopé, en particulier du GaN dopé, s'étendent sur la surface de la couche Nit. Un gaz bidimensionnel 2DEG, se situe dans la couche Nit située sous le plan visible des couches SD2 et SD3, et entre SD2 et SD3. Un transistor à effet de champ constitué d'électrodes S, G et D est ainsi réalisé. Lesdites électrodes ne s'étendent pas au-delà du bord E sur la poutre P. Les électrodes de source S et de drain D s'étendent sur les éléments de couche disjoints SD2 et SD3. L'électrode de grille G du transistor s'étend suivant un ou plusieurs prolongements d'interconnexion IC. Cette interconnexion IC est une électrode formée d'un métal ou du même matériau que la couche SD, et connecte la grille G du transistor au plot Bias- métallique du transducteur.
Les couches dopées SD1 , SD2 et SD3 permettent ici à la fois le fonctionnement du transducteur sur la poutre P et la formation d'une couche intermédiaire de contact entre le canal de conduction électrique du transistor et les électrodes de source S et de drain D.
Les modes de réalisation décrits dans la présente invention permettent de concevoir des MEMS caractérisés par des résistances électriques inférieures à 100 ohms par carré. Pour faciliter l'interfaçage du dispositif, il est notamment avantageux de disposer de transistors dont le canal de conduction présente une faible résistance électrique, aussi proche que possible de 50 ohms. Ces gammes de résistances sont particulièrement intéressantes pour le développement de composants capables de fournir une bande passante de mesure électrique élevée, ou encore pour le fonctionnement de transducteurs dans des conditions extrêmes de températures. Cet avantage technique est également d'un intérêt considérable pour l'interfaçage de transducteurs avec d'autres composants électroniques, et ce dans des architectures et des configurations variées de fonctionnement. Finalement, la possibilité de réduire la résistance électrique de tels transducteurs en fonction du taux de dopage des couches présentes de GaN, indépendamment des autres paramètres, réduit avantageusement le bruit thermique généré par ces dispositifs.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Empilement de couches semi-conductrices comportant :
- un substrat (Sub);
- une première couche (Nue) d'un matériau semi-conducteur, déposée sur ledit substrat ;
- une deuxième couche (Nit) d'un matériau semi-conducteur, déposée sur ladite première couche ;
- une troisième couche (SD) d'un matériau semi-conducteur, déposée sur ladite deuxième couche ;
au moins l'une des première, deuxième et troisième couche étant constituée d'un matériau semi-conducteur piézoélectrique dopé ; ledit empilement étant caractérisé en ce que la première couche et la deuxième couche sont confondues et en ce que la troisième couche est réalisée en GaN dopé.
2. Empilement selon la revendication 1 , comportant en outre au moins un élément suspendu (P) formé par des prolongements d'une ou de plusieurs desdites couches s'étendant au-delà d'un bord (E) dudit substrat,
dans lequel ledit élément suspendu est encastré sur une partie de son périmètre au niveau dudit bord, et présente une forme choisie entre :
- une poutre ;
- une membrane ;
- un disque ; ou
- une plaque.
3. Empilement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la troisième couche comporte une épaisseur comprise entre 0,05 et 20 microns (μιτι), préférentiellement 0,1 à 2 microns (μιτι).
4. Empilement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une desdites première et/ou deuxième couche est réalisée en un matériau de type lll-N, l'élément du groupe III étant choisi parmi Al, Ga, In, B ou tout alliage de ces éléments.
Empilement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments utilisés pour le dopage du matériau de au moins l'une des première, deuxième et troisième couche sont choisis parmi Si, Ge, O et Mg.
Empilement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la troisième couche est caractérisée par une concentration en éléments dopants comprise entre 1018 et 1021 par cm3.
Empilement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite troisième couche est connectée électriquement à au moins un canal de conduction électrique, ledit canal de conduction électrique s'étendant dans ladite deuxième couche.
Empilement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite deuxième couche comporte une hétérostructure confinant un gaz bidimensionnel de porteurs de charge (2DEG), ledit gaz bidimensionnel formant canal de conduction électrique.
9. Dispositif microélectromécanique, comportant un empilement de couches semi-conductrices selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant en outre au moins deux électrodes, au moins deux desdites électrodes étant connectées à ladite deuxième couche, et/ou à ladite troisième couche, et/ou à un gaz bidimensionnel de porteurs de charge.
10. Dispositif microélectromécanique selon la revendication 8, dans lequel au moins une des électrodes est réalisée en GaN dopé.
1 1 . Dispositif microélectromécanique selon la revendication 9 ou 10, dans lequel lesdites électrodes (C01 , C02) s'étendent au moins partiellement sur une surface de ladite troisième couche et/ou de ladite deuxième couche.
12. Dispositif microélectromécanique selon les revendications 9 à 1 1 , dans lequel chacune desdites électrodes comportent au moins un prolongement qui s'étend à la surface dudit élément suspendu, et est connecté électriquement à la troisième couche.
13. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel au moins une desdites électrodes est un contact ohmique, le matériau composant ledit contact ohmique étant choisi parmi du titane, du nickel, de l'aluminium ou de l'or.
14. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications 9 à 13, dans lequel lesdites électrodes forment les contacts (D, S, G) d'un transistor à effet de champ.
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