EP4173045A1 - Optoelectronic device and corresponding manufacturing method - Google Patents
Optoelectronic device and corresponding manufacturing methodInfo
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Definitions
- the invention relates to the field of optoelectronics. It finds a particularly advantageous application in the field of light-emitting diodes based on gallium nitride (GaN) having a three-dimensional structure.
- GaN gallium nitride
- LEDs typically comprise a so-called active region where radiative recombinations of electron-hole pairs occur, which make it possible to obtain light radiation having a main wavelength.
- LEDs can be configured to produce light radiation with a primary wavelength in the blue, or in the green, or in the red. This main wavelength depends in particular on the configuration of the active region.
- the active region or active layer of a GaN-based LED typically comprises InGaN-based quantum wells.
- These InGaN-based quantum wells can extend along different crystallographic planes, for example polar planes (c or -c planes of the hexagonal crystallographic structure), non-polar planes (a or m planes of the hexagonal crystallographic structure) or semi-polar.
- axial 3D LEDs can be done by molecular beam epitaxy MBE (acronym for Molecular Beam Epitax ⁇ ).
- MBE Molecular Beam Epitax ⁇
- This growth technique makes it possible to obtain, unlike other conventionally used growth techniques, a localized deposit of InGaN at the top of GaN-based wires. InGaN-based quantum wells can thus be formed along polar planes.
- MBE molecular beam epitaxy does not have sufficient performance and is not a technique compatible with an industrial manufacturing process.
- Other growth techniques typically organometallic precursor vapor phase epitaxy (MOVPE), do not allow axial structures to be grown with good control. Parasitic growth on the sides of 3D structures is usually observed, leading to core-shell-like structures.
- the present invention aims to at least partially overcome the drawbacks mentioned above.
- an object of the present invention is to provide a method of manufacturing one or more optoelectronic devices, which is industrially compatible.
- Another object of the present invention is to provide an optoelectronic device, in particular an axial 3D LED based on GaN, which can be manufactured in an optimized manner.
- an optoelectronic device comprising a substrate and, on a first face of the substrate, at least one stack in a longitudinal direction, said stack comprising at least one injection layer. of a first type of carriers and an active layer.
- the optoelectronic device comprises a growth mask comprising a plurality of openings and the active layer of the at least one stack is confined in at least one opening of said openings and does not extend outside said at least one opening.
- the growth mask typically makes it possible to at least partially guide a growth of the stack in the longitudinal direction. It is preferably configured to provide this guidance function.
- the active layer of the device has a pseudo two-dimensional structure within the at least one opening.
- This pseudo two-dimensional structure is linked to the presence of the growth mask over the entire height of the active layer.
- the device thus advantageously has a 3D architecture while benefiting from a pseudo-2D structure.
- the pseudo-2D structure of the active layer makes it possible to easily form, in a manner compatible with an industrial manufacturing process, quantum wells according to a single type of crystallographic planes, in particular according to polar planes.
- This 3D architecture is called axial.
- the integration of such a growth mask advantageously makes it possible to use MOVPE to respectively form the injection layer and the active layer according to an axial 3D architecture.
- the growth mask can be made of a dielectric material so as to electrically insulate the substrate from a metallic contact subsequently deposited on the top of the stacks, for example. It can also be transparent so as to allow light radiation emitted or received by the stacks to pass.
- the stack (s) form axial LEDs with a 3D structure within the growth mask.
- the device therefore comprises at least one axial LED in the at least one opening of the growth mask.
- This axial LED is preferably believed by vapor phase epitaxy at Organometallic precursors (MOVPE) directly within the at least one opening of the growth mask.
- a second aspect relates to a method of manufacturing an optoelectronic device comprising a substrate and, on a first face of the substrate, at least one stack in a longitudinal direction of at least one injection layer of a first type of carriers and an active layer. This process includes:
- a supply of the substrate preferably comprising a nucleation layer
- Formation of a growth mask on the substrate said growth mask comprising at least one opening in the longitudinal direction through which is exposed an area of the substrate or of the nucleation layer,
- the formations of the injection layer and of the active layer are carried out by vapor phase epitaxy with organometallic precursors (MOVPE) in the longitudinal direction in at least one opening.
- MOVPE organometallic precursors
- MOVPE organometallic precursor vapor phase epitaxy formation of the injection layer and / or active layer improves the industrial compatibility of the 3D axial LED manufacturing process.
- MOVPE does not allow forming such axial 3D LEDs and that it is necessary to resort to MBE to fabricate such structures.
- the known solutions based on MBE aim in particular to size the equipment making it possible to implement MBE, so that they are compatible with industrial production.
- MOVPE deposit of an injection layer and / or an active layer on a protruding or recessed relief covers the sides of said relief, and the 3D structure obtained therefore has a so-called radial architecture.
- the invention provides a growth mask for an optoelectronic device comprising a substrate and, on a first face of the substrate, at least one stack in a longitudinal direction, said stack comprising at least one injection layer of a first type of carrier and an active layer.
- the growth mask has a plurality of openings.
- the growth mask is configured to at least in part guide growth of the stack in the longitudinal direction.
- the growth mask is shaped so that the active layer of the at least one stack is confined within at least one opening of the openings of the growth mask and does not extend outside said at least one opening.
- FIGURES 1A to 1E illustrate a method of forming an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention.
- FIGURES 2A to 2F illustrate a method of forming an optoelectronic device according to another embodiment of the present invention.
- FIGURE 3A is a transmission electron microscopy (TEM) image of an optoelectronic device according to one embodiment of the present invention.
- FIGURE 3B is a transmission scanning electron microscopy (STEM) image of an optoelectronic device according to one embodiment of the present invention.
- TEM transmission electron microscopy
- FIGURES 4A-4G illustrate a method of forming an optoelectronic device according to yet another embodiment of the present invention.
- the drawings are given by way of example and do not limit the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily on the scale of practical applications. In particular, the dimensions of the various elements of the optoelectronic device are not representative of reality.
- the invention according to its first aspect includes in particular the optional characteristics below which can be used in combination or alternatively.
- the injection layer of the first type of carriers is confined in the at least one opening of the growth mask.
- the injection layer of the first type of carrier bears on a nucleation layer made of a material different from the material of said injection layer.
- said at least one stack is bordered laterally by a wall of the at least one opening, over a height greater than or equal to the sum of the thicknesses of the injection layer and of the active layer.
- the stack further comprises distributed Bragg mirrors (DBR) so as to form a resonant cavity in the longitudinal direction.
- DBR distributed Bragg mirrors
- the device comprises a first stack and a second stack respectively comprising a first active layer and a second active layer confined respectively in a first opening and a second opening of the growth mask, said first and second openings respectively having a first surface and a second surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, different from each other, and said first and second active layers respectively having a first thickness and a second thickness, taken in the longitudinal direction, different from each other.
- the first and second stacks respectively comprise a first injection layer of the first type of carriers and a second injection layer of the first type of carriers confined respectively in the first and second openings of the growth mask, said first and second injection layers respectively having a first thickness and a second thickness, taken in the longitudinal direction, which are different from one another.
- the device comprises a plurality of stacks and active layers confined in a plurality of openings of the growth mask, and the openings having surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, substantially equal to each other are separated in pairs by a separation distance ds chosen so that said openings form a resonant cavity in a plane transverse to the longitudinal direction.
- Said resonant cavity is therefore typically formed by a plurality of stacks of the same size, more particularly of size less than 1 ⁇ m. This makes it possible to form a photonic crystal. This therefore allows a more precise and reliable selection of the emission wavelength, due to the filter formed by the photonic crystal.
- a resonant cavity is here intrinsically linked to the existence of a network of openings of the same sizes or the same surfaces.
- three openings having three different sizes for example to emit at three different lengths, are not sufficient to form a resonant cavity.
- the formation of a photonic crystal implies in particular a very low tolerance on the pitch of the aperture network and on the diameter of the stacks.
- growing the stacks through a growth mask - rather than on a flat substrate - advantageously allows excellent control of the critical dimensions allowing this photonic crystal to be obtained (separation distance, size of apertures).
- a planarization is carried out after the growth of the stacks, for example by means of a filling of the openings above the stacks with a planarization material.
- This planarization can be done by deposition by centrifugation (known under the name of "spin coating"), optionally followed by mechanical-chemical polishing (known by the acronym "CMP” meaning Chemical Mechanical Polishing). This planarization improves the quality of the photonic crystal.
- the injection layer of the first type of carrier has a front face in contact with the active layer within the opening, and a rear face opposite the front face and in contact with a transparent conductive layer.
- a transparent contact on the rear face can advantageously be produced by a chip flipping and transfer process, commonly called a “flip chip” (meaning “chip flipping”).
- the invention according to its second aspect comprises in particular the optional characteristics below which can be used in combination or alternatively:
- the formation of the injection layer and the active layer are carried out by vapor phase epitaxy with organometallic precursors (MOVPE) in the longitudinal direction in at least one opening.
- MOVPE organometallic precursors
- the growth mask comprises at least a first opening and a second opening having respectively a first surface and a second surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, different from one another.
- the formation of the active layer comprises a formation of a first active layer within the first opening and simultaneously, a formation of a second active layer within the second opening so that said first and second layers active have thicknesses, taken in the longitudinal direction, different from each other.
- the growth mask includes a plurality of openings.
- the openings having surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, substantially equal to each other are separated in pairs by a separation distance ds chosen so that said openings form a resonant cavity in a plane transverse to the longitudinal direction.
- several resonant cavities can be formed by means of a single growth mask.
- a plurality of first openings having a first size and separated by a first separation distance corresponding to a first network pitch typically form a first resonant cavity.
- a plurality of second openings having a second size and separated by a second separation distance corresponding to a second network pitch typically form a second resonant cavity.
- These first, second and third resonant cavities can coexist within the growth mask, for example respectively at the level of first, second and third juxtaposed and distinct zones of the growth mask, or in an intermixed manner.
- These first, second and third resonant cavities typically make it possible to filter and / or exacerbate the emission of light according to first, second and third wavelengths.
- the separation distance ds is between 50 nm and 700 nm.
- the substrate comprises a layer of a semiconductor material on the nucleation layer and the formation of the growth mask comprises:
- the production of the growth mask from a passivated semiconductor material makes it possible to better control the diameter and the positioning of the openings for large openings. This makes it possible in particular to limit or avoid the appearance of deformations along the height of the openings.
- Passivation of the openings makes it possible to use GaN to make a large part of the growth mask. This makes it possible to avoid having to resort to the deposition of a specific material to form the growth mask.
- the GaN-based substrate can be directly used as a growth mask template. Thus, the etching of the openings is done directly in said substrate, and a simple passivation step may typically be sufficient to finalize the formation of the growth mask.
- the mask is thus produced in a layer of a semiconductor or conductor material, such as GaN, passivated at the level of the walls of the openings and between the openings.
- the bottom of the openings is not passivated, or the passivation layer is removed at the bottom of the openings, so as to allow the growth of stacks in the openings.
- the openings are preferably made on a only part of the height of the GaN-based layer of the substrate, so that the bottom of the openings directly corresponds to an exposed part of said GaN-based layer.
- Such a growth mask comprising a part of the GaN-based substrate advantageously makes it possible to significantly increase the quality of the growth of the stacks in the openings.
- the part of the GaN-based substrate forming the bottom of the openings forms a nucleation layer for the growth of the stack. It is therefore not necessary to provide an additional nucleation layer on the bottom of the openings. This helps reduce the overall thickness of the stack. This reduction in thickness of the stack considerably improves the crystalline quality of the various layers of the stack, in particular of the active zone buried within the stack.
- the passivation of the flanks or walls of the openings which allows growth directed in the longitudinal direction, without parasitic growth on the flanks of the openings, also makes it possible to avoid the recombinations of carriers which are likely to occur around the periphery of the openings. stacks.
- This passivation also helps inhibit the growth of the stack layers on the top face or top of the growth mask. This helps promote the growth of stacks at the bottom of the cavities. This passivation also makes it possible to isolate the upper layers of the stacks, for example the GaN-p-based hole injection layer, from the substrate, for example based on GaN-n.
- the semiconductor-based part of such a growth mask can advantageously improve light extraction and / or modulate the far field of light emission.
- the choice in the composition of the semiconductor can in particular exacerbate one and / or the other of these effects.
- the method comprises, before the passivation, forming a reflective layer at least in part on the wall of the at least one opening.
- the method comprises, after formation of the active layer: - Formation of an electron blocking layer on the active layer,
- Such a method is of the “flip chip” type.
- the growth mask comprises a plurality of openings distributed according to first, second and third sub-assemblies respectively comprising openings having first, second and third average surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, different between them.
- the first, second and third average surfaces are chosen so as to form respectively first, second and third subsets comprising respectively active layers having first, second and third thicknesses, taken in the longitudinal direction, different between them, said subsets of active layers being configured to emit light radiations having respectively first, second and third wavelengths different from one another.
- the first, second and third wavelengths belong to the visible electromagnetic spectrum and are chosen from this spectrum so as to emit red, green and blue light, respectively.
- the formation of the injection layer of the first type of carrier takes place simultaneously within all the openings so that the thickness of said injection layer varies as a function of the surface, taken in a transverse plane. in the longitudinal direction, openings.
- the formation of the active layer takes place simultaneously within all the openings so that the thickness of said active layer varies depending on the surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, of the openings.
- the injection layer of the first type of carriers (30) is based on GaN, and the active layer is based on InGaN.
- the manufacturing method and the optoelectronic device can comprise, mutatis mutandis, any one of the optional characteristics above.
- the technical characteristics described in detail for a given embodiment can be combined with the technical characteristics described in the context of other embodiments described by way of example and not by way of limitation.
- the number of openings, the different shapes of openings and / or the different separation distances illustrated in the figures can be combined so as to form another embodiment which is not necessarily illustrated or described. Such an embodiment is obviously not excluded from the invention.
- the manufacturing method is in particular dedicated to the manufacture of LEDs having a 3D architecture (3D LED).
- the invention can be implemented more widely for various optoelectronic devices with 3D architecture, and in particular those comprising active layers.
- active layer or active region of an optoelectronic device is meant the layer or region from which the majority of the light radiation supplied by this device is emitted, or the region from which the majority of the light radiation received by this device is captured.
- the invention can therefore also be implemented in the context of laser or photovoltaic devices.
- the relative arrangement of a third layer interposed between a first layer and a second layer does not necessarily mean that the layers are directly in contact with each other. , but means that the third layer is either directly in contact with the first and second layers, or separated from them by at least one other layer or at least one other element.
- an electron blocking layer interposed between the active layer and the injection layer of the second type of carriers is not necessarily directly in contact with one or the other, and other layers exhibiting other functions can possibly be added.
- stages in the formation of the different elements are understood in a broad sense: they can be carried out in several sub-stages which are not necessarily strictly successive.
- diameter is meant the largest transverse dimension of the opening.
- the openings do not necessarily have a circular cross section.
- this section can be hexagonal.
- the diameter then corresponds to the distance separating two opposite vertices of the section hexagonal.
- the diameter may correspond to an average diameter calculated from the diameter of a circle inscribed in the polygon of the cross section and the diameter of a circle circumscribed by this polygon.
- the separation distance ds is the smallest distance between two adjacent openings.
- LED light-emitting diode
- LED simply “diode”
- An “LED” can also be understood as a "micro-LED”.
- M-i refers to the material M which is intrinsic or not intentionally doped, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -i.
- M-n refers to the material M doped with N, N + or N ++, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -n.
- M-p refers to the material M doped with P, P + or P ++, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -p.
- a substrate a layer, a device, "based" on a material is meant
- a layer based on gallium nitride can for example comprise gallium nitride (GaN or GaN-i) or doped gallium nitride (GaN-p, GaN-n).
- An active region based on gallium-indium nitride can for example comprise gallium-aluminum nitride (AIGaN) or gallium nitride with different aluminum and indium contents (GalnAIN).
- a reference mark, preferably orthonormal, comprising the x, y, z axes is shown in the appended figures.
- thickness for a layer and height for a structure or a device.
- the thickness is taken in a direction normal to the main extension plane of the layer, and the height is taken perpendicular to the basal xy plane of the substrate.
- an active layer typically has a thickness along z
- an LED has a height according to z.
- a thickness of an axial deposit is taken along z.
- the longitudinal direction is parallel to z.
- the terms “vertical” and “lateral” are understood to mean directions taken respectively along z and perpendicular to z.
- a direction substantially normal to a plane means a direction having an angle of 90 ⁇ 10 ° with respect to the plane.
- the chemical compositions of the various elements can be determined using the well-known EDX or X-EDS method, acronym for “energy dispersive x-ray spectroscopy” which means “energy dispersive analysis of X photons”.
- This method is well suited for analyzing the composition of small size optoelectronic devices such as 3D LEDs. It can be implemented on metallurgical sections within a Scanning Electron Microscope (SEM) or on thin sections within a Transmission Electron Microscope (TEM).
- SEM Scanning Electron Microscope
- TEM Transmission Electron Microscope
- the optical properties of the various elements, and in particular the main emission wavelengths of axial 3D LEDs based on GaN and / or active layers based on InGaN can be determined by spectroscopy.
- CL Cathodoluminescence
- PL photoluminescence
- an optoelectronic device with axial 3D architecture comprises an active layer and / or InGaN-based quantum wells directly formed within a growth mask.
- a growth mask can be indicative of an implementation of a deposition of MOVPE type, as described in the present invention.
- a first embodiment of an optoelectronic device with axial 3D architecture according to the invention will now be described with reference to Figures 1A to 1E.
- the present invention also relates to a method of manufacturing an optoelectronic device as described through the exemplary embodiments below.
- FIG. 1A illustrates in cross section the formation of a growth mask 2 on a substrate 1.
- This growth mask 2 can be formed from a dielectric material, for example from silicon oxide. It typically comprises a plurality of openings 20, 20 'opening onto the substrate 1.
- Such a growth mask 2 is configured to guide the growth of the active layer and / or of the injection layers of carriers (electrons and / or holes ) within each opening 20, 20 '.
- the substrate 1 can in particular be in the form of a solid support made of sapphire or silicon. In the latter case, it can be in the form of a wafer with a diameter of 200 mm or 300 mm. This helps to reduce costs. It also improves technological compatibility with microelectronic technologies.
- the sapphire can be in the form of a wafer with a diameter of 200 mm and makes it possible to limit the lattice parameter mismatch with the GaN.
- the substrate 1 serves in particular as a support for the optoelectronic device. It can act as a mechanical support and / or an epitaxy support.
- the substrate 1 can advantageously be limited to the single solid support, without additional surface layer. It can be substantially plane and parallel to the xy plane.
- the substrate 1 can be textured and / or include patterns.
- the substrate 1 is a patterned sapphire substrate also called PSS (acronym for “Patterned Sapphire Substrate) known to those skilled in the art. These patterns can have various shapes, for example a conical, hemispherical or pyramidal shape.
- the substrate 1 can be in the form of a stack comprising, in the z direction, the support and at least one other layer, for example a buffer layer.
- This buffer layer can be based on GaN or on polySi. According to another possibility, it can be based on other metal nitrides, for example AIN.
- the substrate 1 can also comprise, alternatively or in combination with the buffer layer, a nucleation layer, typically based on GaN. Such a nucleation layer typically has a low thickness, for example less than 100 nm. This makes it possible to improve the crystalline quality of this GaN-based nucleation layer.
- the growth mask 2 is preferably formed directly on the substrate.
- Such a growth mask 2 is typically formed by a deposition step, for example a chemical vapor deposition CVD (acronym for “Chemical Vapor Deposition”), followed by a lithography / etching step configured to define the openings (figure 1A).
- the growth mask can be made of a dielectric material, for example silicon oxide or silicon nitride, or a combination of dielectric materials.
- the openings 20, 20 ’ open out to the surface of the substrate 1. They preferably have one or more walls substantially perpendicular to the xy plane of the substrate 1.
- the openings 20, 20’ have a closed contour in the xy plane. They typically have a lateral dimension taken in the xy plane, for example a diameter or an average diameter, between 50 nm and 500 nm.
- These openings 20, 20 ’ are preferably circular. As illustrated in Figure 1A, they may advantageously have different diameters a, a ".
- the pitch p1, p2 of each grating ie the distance separating the centers of two adjacent openings of the same grating, is preferably less than or equal to 1 ⁇ m.
- the pitch of a network of openings having a given diameter is equal to the sum of the diameter and the separation distance ds separating two adjacent openings of this network.
- each array of openings 20, 20 ' is chosen so as to form a resonant cavity in a direction parallel to the xy plane, for a determined emission wavelength.
- a growth mask 2 comprising openings ordered according to one or more networks therefore makes it possible to form one or more photonic crystals.
- the openings 20, 20 ’ are configured to each accommodate a stack 3 comprising at least one layer 30 for injecting carriers of a first type, for example electrons, and an active layer 31.
- the electron injection layer 30 of stack 3 is preferably based on GaN, in particular based on GaN-n. It is preferably oriented parallel to z in a crystallographic direction [0001] corresponding to the c axis of a hexagonal crystallographic structure.
- this GaN-n-based electron injection layer 30 can be done by epitaxy, preferably by vapor phase epitaxy with organometallic precursors MOVPE (acronym for "MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy”). It is preferably done simultaneously in each opening 20, 20 ’of the growth mask 2.
- MOVPE organometallic precursors
- the electron injection layer 30 is formed on the exposed surface of the substrate 1, at the bottom of each opening 20, 20 ".
- the growth of layer 30 is constrained laterally by the wall of opening 20, 20 ".
- Layer 30 thus gradually fills the opening in question.
- the volume of each layer 30 deposited or epitaxied simultaneously within each opening 20, 20 ’ is substantially constant.
- the thickness h1, h2 of the layer 30 thus advantageously depends on the lateral dimension a, a ’of the opening 20, 20’ in question.
- the layer 30 advantageously has a thickness h1 for each opening 20 of diameter a, and a thickness h2 for each opening 20 "of diameter a". The larger the opening diameter, the less the layer thickness 30.
- the active layer 31 of the stack 3 is preferably based on InGaN. It preferably comprises a plurality of quantum wells based on InGaN. These wells quantum cells are typically configured to emit light radiation at a main wavelength h. They can be conventionally separated from each other by GaN-based barriers.
- the quantum wells based on InGaN of the active layer 31 extend parallel to the xy plane of the substrate 1, according to crystallographic planes of the c ⁇ 0001 ⁇ type.
- the stack 3 comprising such an active layer 31 advantageously has an axial architecture.
- This axial architecture makes it possible in particular to incorporate a high indium [In] concentration in the quantum wells of the active layer 31. The more the indium [In] concentration of InGaN-based quantum wells increases, the longer the wavelength. main increases.
- this active layer 31 can be done by periodic deposition of InGaN quantum wells and GaN barriers by MOVPE. It is preferably carried out simultaneously in each opening 20, 20 'of the growth mask 2 (FIG. 1D). As illustrated in FIG. 1D, the active layer 31 can be formed directly on the carrier injection layer 30, in each opening 20, 20 '. In each opening, the growth of the active layer 31 is constrained laterally by the wall of the opening 20, 20 '. The active layer 31 thus gradually fills the opening in question.
- the volume of each active layer 31 deposited or epitaxied simultaneously within each opening 20, 20 ' is substantially constant.
- the thickness e1, e2 of the active layer 31 thus advantageously depends on the lateral dimension a, a 'of the opening 20, 20' considered.
- the incorporation of indium also advantageously depends on the lateral dimension a, a 'of the opening 20, 20' considered.
- the active layer 31 advantageously has a thickness e1 for each opening 20 of diameter a, and a thickness e2 for each opening 20 'of diameter a'.
- the larger the opening diameter the less the thickness of the active layer 31 is.
- the larger the opening diameter the lower the indium concentration [In] in the wells of the active layer 31. This means that the main wavelength emitted by the stacks 3 formed within the apertures of larger size is smaller than the main wavelength emitted by the stacks 3 formed within the apertures of smaller size.
- the openings 20 of diameter a can be configured so that the stacks 3 formed in said openings 20 have a main emission wavelength of the order of 525 nm, in the green, and the openings 20 'of diameter a' can be configured so that the stacks 3 formed in said openings 20 ′ exhibit a main emission wavelength of the order of 450 nm, in the blue.
- the method thus advantageously makes it possible to simultaneously form several stacks 3 emitting at several main wavelengths, in particular as a function of the size characteristics of the openings of the growth mask 2.
- the stacks 3 typically comprise, in addition to the electron injection layer 30 and the active layer 31, a hole injection layer 33, for example based on GaN-p. They can also include an electron blocking layer 32 interposed between the active layer 31 and the hole injection layer 33, in a known manner (Figure 1D). These layers 32, 33 can be completely confined in the openings 20, 20 ’, as shown in Figure 1D. According to one possibility, the hole injection layer 33 may extend at least partially outside the corresponding opening. Stack 3 of layers 30, 31, 32, 33 typically forms an axial 3D LED. Stack 3 may optionally include other layers not shown, for example layers forming distributed Bragg mirrors. In the example illustrated in Figure 1D, the stack 3 advantageously has a thickness b1 for each opening 20 of diameter a, and a thickness b2 for each opening 20 ′ of diameter a ’.
- Such a contact can then be formed on the layers 33 of hole injections.
- a contact may be in the form of a conductive layer 40, for example made of metal or of transparent conductive oxide (TCO), as illustrated in FIG. 1 E.
- TCO transparent conductive oxide
- the device thus formed advantageously comprises axial 3D LEDs passivated by the growth mask 2.
- the growth mask 2 also makes it possible to laterally encapsulate the stacks 3.
- the mechanical strength of the device is thus ensured.
- the stacks are advantageously distributed, according to the size of the openings in which they are formed, into sub-assemblies emitting at different main wavelengths. This makes it possible in particular to form sub-pixels of different colors, typically red, green and blue (RGB). These subpixels can be organized into photonic arrays, as shown in Figure 1B, to improve the intensity of light emission. According to another possibility, they can be arranged alternately from one another, typically to form a pixel from three RGB sub-pixels.
- the method of manufacturing this device advantageously makes it possible to obtain stacks of different sizes, emitting at different wavelengths, during a single growth sequence of each of the layers of the stacks. It also makes it possible to implement 2D type growth conditions to produce 3D stacks. This allows the formation of active layers comprising quantum wells according to crystallographic planes of type c ⁇ 0001 ⁇ , in a 3D stack epitaxied by MOVPE. The method thus makes it possible to manufacture an optoelectronic device, in particular based on LEDs, combining the advantages of 2D growth conditions and the advantages of 3D stack architectures.
- the choice of the diameter of the openings and of the separation distance between the openings also makes it possible to control the thickness of the active layers and the incorporation of indium within the active layers of these openings, so as to ultimately adjust the length. of the main emission wave of the stacks.
- FIGS. 2A to 2F A second exemplary embodiment is illustrated in FIGS. 2A to 2F.
- This second example presents an alternative embodiment of the growth mask 2.
- the substrate 1 is surmounted by a layer 1 ′, for example made of GaN (FIG. 2A).
- This GaN layer 1 ’ is then structured and passivated to form the growth mask 2.
- a hard mask 2 ’ is previously formed by surface lithography of GaN layer 1’ ( Figure 2B).
- This 2 ′ hard mask can conventionally be made of silicon oxide (Si02) or silicon nitride (SiN). It comprises openings 21, 21 'of the same shape as the openings 20, 20' to be produced in the growth mask 2. These openings 21, 21 'have lateral dimensions slightly greater than the dimensions of the openings 20, 20' to be produced in growth mask 2.
- Anisotropic etching of layer 1 ’, along z and over the entire thickness of layer 1’, is then carried out (Figure 2C).
- This etching can be done in a known manner by plasma in chlorinated chemistry, for example from a CI2 / Ar or SiCl4 / Ar mixture.
- Passivation of the exposed walls of layer 1 ’ is then performed, typically by depositing a dielectric layer 2 ′′ of SiO 2 or SiN ( Figure 2D).
- This 2 ”layer is continuous and preferably conformal. It is preferably based on the same dielectric material as the 2 ’hard mask.
- Etching of the dielectric material is then performed so as to expose the surface of the substrate 1 while maintaining a thickness of dielectric material on the surfaces of the GaN layer 1 '.
- the growth mask 2 and the openings 20, 20 'of the growth mask 2 are thus formed.
- This etching can be isotropic if the deposition of layer 2 ”conforms, or anisotropic along z if the deposition of layer 2” is non-compliant. These options can be chosen so as to obtain a substantially constant dielectric material thickness on the surfaces of the GaN layer 1 ′.
- FIG. 3A shows a transmission electron microscopy (TEM) image of a stack 3 formed within an opening of a growth mask 2 according to the principle of the method described in this invention.
- the growth mask 2 used for this proof of concept illustrated in FIG. 3A comprises as a variant a layer 2a of great thickness in SiN and a layer 2b of small thickness in SiO 2. It has a height of around 1 ⁇ m.
- the substrate 1 used for this proof of concept comprises as a variant a nucleation layer 1a and a support layer 1b.
- the GaN-n electron injection layer 30, the active layer 31 and the GaN-p hole injection layer 33 were successively epitaxied within the opening 20 of the growth mask 2.
- the wells MQW quantums of active layer 31 extend substantially parallel to the xy plane of the surface of substrate 1. This appears even more clearly in Figure 3B showing a transmission scanning electron microscopy (STEM) image of this type. 'stack 3.
- the stack 3 of the different layers 30, 31, 33 therefore forms an axial architecture.
- the cavity 200 extending at the base of the opening 20 is here due to an overetching during the making of the opening 20 (FIG. 3A).
- This cavity 200 here houses a foot 300 of growth of the GaN-n layer 30.
- the cavity 200 and growth foot 300 illustrated in this proof of concept in Figure 3A are optional only.
- the growth of the various layers by MOVPE directly within the opening 20 does not induce structural defects in the various layers 30, 31, 33 at the level of the interface with the growth mask 2 (FIG. 3A).
- the growth mask 2 thus advantageously makes it possible to guide the growth of the stack without generating defects. It also makes it possible to passivate directly the vertical sides, ie substantially parallel to z, of the stack 3.
- FIGS. 4A to 4G A third example of a “flip chip” type production method is illustrated in FIGS. 4A to 4G.
- the device comprises a plurality of stacks 3 distributed within the growth mask 2 into different subsets SP1, SP2, SP3, SP1 ′ (FIG. 4A).
- subsets SP1, SP2, SP3, SP1 'of stacks 3 are advantageously formed within openings of the growth mask 2 having different diameters, so as to form subpixels emitting at different wavelengths, typically in red, green and blue.
- the various sub-assemblies SP1, SP2, SP3, SP1 ′ are formed as above on a first substrate 1, through the openings, then covered by a metal layer 40 (FIG. 4A).
- This metallic layer 40 is typically in contact with the GaN-p layers of the stacks 3.
- the metallic layer 40 is then structured so as to form distinct contacts on different sub-pixels taken from the subsets SP1, SP2, SP3, SP1. '( Figure 4B).
- a layer 50 of silicon oxide is then deposited, for example by plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), on the front face of the first substrate 1 so as to cover the structures previously formed (FIG. 4C).
- PECVD plasma-assisted chemical vapor deposition
- This SiO 2 layer 50 makes it possible to assemble, for example by molecular bonding, a second substrate 11 on the front face of the first substrate 1 comprising the structures of the device (FIG. 4D).
- the second substrate 11 is typically made of silicon.
- the first substrate 1 is then removed, for example by trimming and polishing from its rear face, so as to expose the base of the stacks 3 and of the growth mask 2 (FIG. 4E).
- a layer 60 of transparent conductive oxide (TCO) can then be deposited “on the rear face”, on the basis of the stacks 3 and of the growth mask 2 (FIG. 4F).
- This TCO layer 60 is typically in contact with the GaN-n layers of the stacks 3.
- a passivation layer 70 for example made of silicon oxy-nitride SiON, can then be deposited on the rear face.
- the n-type contacts 61 on the TCO layer 60 and the p-type contacts 41 on the metallic layer 40 are then respectively structured, for example in the form of vias (FIG. 4G).
- flip chip Such a method making it possible to turn over the chip supporting the optoelectronic device is generally known under the name “flip chip”. It makes it possible to manufacture a device emitting from the rear face.
- the metallic layer 40 can typically act as a reflector in such a device.
- the method according to the invention advantageously makes it possible to produce different RGB sub-pixels based on 3D architectures, according to one and the same sequence. growth, with growth conditions similar to two-dimensional growth methods.
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Abstract
Disclosed is a method for manufacturing an optoelectronic device comprising a substrate (1) and, on a first face of the substrate (1), at least one stack (3), in a longitudinal direction (z), of at least one injection layer (30) for injecting a first type of carrier and an active layer (31), the method comprising: - providing the substrate (1), - forming a growth mask (2) on the first face of the substrate (1), the growth mask (2) comprising at least one opening (20, 20') in the longitudinal direction (z) through which the first face is exposed, - forming, from the exposed area of the substrate (1), the injection layer (30) for injecting the first type of carrier in the at least one opening (20, 20'), - forming the active layer (31) on the injection layer (30), in the at least one opening (20, 20'), such that the active layer (31) is confined within the at least one opening (20, 20') and does not extend out of the at least one opening. Also described is the corresponding optoelectronic device, which therefore comprises an active layer (31) confined within an opening (20, 20') of the growth mask (2).
Description
DISPOSITIF OPTOÉLECTRONIQUE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION CORRESPONDANT DOMAINE TECHNIQUE OPTOELECTRONIC DEVICE AND CORRESPONDING MANUFACTURING PROCESS TECHNICAL FIELD
L’invention concerne le domaine de l’optoélectronique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des diodes électroluminescentes à base de nitrure de Gallium (GaN) présentant une structure tridimensionnelle. The invention relates to the field of optoelectronics. It finds a particularly advantageous application in the field of light-emitting diodes based on gallium nitride (GaN) having a three-dimensional structure.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE Les diodes électroluminescentes (LED) comprennent typiquement une région dite active où se produisent des recombinaisons radiatives de paires électron-trou, qui permettent d’obtenir un rayonnement lumineux présentant une longueur d’onde principale. STATE OF THE ART Light-emitting diodes (LEDs) typically comprise a so-called active region where radiative recombinations of electron-hole pairs occur, which make it possible to obtain light radiation having a main wavelength.
Pour des applications d’affichage, les LED peuvent être configurées pour produire un rayonnement lumineux dont la longueur d’onde principale se situe dans le bleu, ou dans le vert, ou dans le rouge. Cette longueur d’onde principale dépend notamment de la configuration de la région active. For display applications, LEDs can be configured to produce light radiation with a primary wavelength in the blue, or in the green, or in the red. This main wavelength depends in particular on the configuration of the active region.
La région active ou couche active d’une LED à base de GaN comprend typiquement des puits quantiques à base d’InGaN. Ces puits quantiques à base d’InGaN peuvent s’étendre selon différents plans cristallographiques, par exemple des
plans polaires (plans c ou -c de la structure cristallographique hexagonale), des plans non polaires (plans a ou m de la structure cristallographique hexagonale) ou semi- polaires. The active region or active layer of a GaN-based LED typically comprises InGaN-based quantum wells. These InGaN-based quantum wells can extend along different crystallographic planes, for example polar planes (c or -c planes of the hexagonal crystallographic structure), non-polar planes (a or m planes of the hexagonal crystallographic structure) or semi-polar.
La meilleure efficacité quantique interne IQE (Internai Quantum Efficiency en anglais) est à ce jour obtenue lorsque les puits quantiques à base d’InGaN s’étendent selon des plans polaires. The best internal quantum efficiency IQE (Internai Quantum Efficiency in English) is to date obtained when quantum wells based on InGaN extend in polar planes.
Dans le cas d’une LED à base de GaN présentant une structure bidimensionnelle (2D LED), la formation des puits quantiques à base d’InGaN selon les plans polaires est facilitée. En revanche, dans le cas d’une LED à base de GaN présentant une structure tridimensionnelle (3D LED), par exemple sous forme de fil, il est plus difficile de former les puits quantiques à base d’InGaN selon les plans polaires, dans une architecture de LED 3D dite axiale. In the case of a GaN-based LED with a two-dimensional structure (2D LED), the formation of InGaN-based quantum wells along the polar planes is facilitated. On the other hand, in the case of a GaN-based LED having a three-dimensional structure (3D LED), for example in the form of a wire, it is more difficult to form the InGaN-based quantum wells according to the polar planes, in a so-called axial 3D LED architecture.
La fabrication de LED 3D axiales peut se faire par épitaxie par jets moléculaires MBE (acronyme de Molecular Beam Epitaxÿ). Cette technique de croissance permet d’obtenir, à la différence des autres techniques de croissance classiquement utilisées, un dépôt localisé d’InGaN au sommet des fils à base de GaN. Des puits quantiques à base d’InGaN peuvent ainsi être formés selon des plans polaires. The fabrication of axial 3D LEDs can be done by molecular beam epitaxy MBE (acronym for Molecular Beam Epitaxÿ). This growth technique makes it possible to obtain, unlike other conventionally used growth techniques, a localized deposit of InGaN at the top of GaN-based wires. InGaN-based quantum wells can thus be formed along polar planes.
Cependant, l’épitaxie par jets moléculaires MBE ne présente pas de performance suffisante et n’est pas une technique compatible avec un procédé de fabrication industriel. Les autres techniques de croissance, typiquement l’épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE), ne permettent pas de faire croître des structures axiales avec une bonne maîtrise. Une croissance parasite sur les côtés des structures 3D est généralement observée, conduisant à des structures de type cœur-coquille. Ces inconvénients limitent les possibilités de fabriquer des LED 3D axiales de façon industrielle avec une bonne maîtrise. However, MBE molecular beam epitaxy does not have sufficient performance and is not a technique compatible with an industrial manufacturing process. Other growth techniques, typically organometallic precursor vapor phase epitaxy (MOVPE), do not allow axial structures to be grown with good control. Parasitic growth on the sides of 3D structures is usually observed, leading to core-shell-like structures. These drawbacks limit the possibilities of manufacturing axial 3D LEDs industrially with good control.
La présente invention vise à pallier au moins partiellement les inconvénients mentionnés ci-dessus. The present invention aims to at least partially overcome the drawbacks mentioned above.
En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d’un ou de plusieurs dispositifs optoélectroniques, qui soit compatible industriellement. In particular, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing one or more optoelectronic devices, which is industrially compatible.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif optoélectronique, en particulier une LED 3D axiale à base de GaN, pouvant être fabriqué de façon optimisée.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. Another object of the present invention is to provide an optoelectronic device, in particular an axial 3D LED based on GaN, which can be manufactured in an optimized manner. The other objects, features and advantages of the present invention will become apparent on examination of the following description and the accompanying drawings. It is understood that other advantages can be incorporated.
RÉSUMÉ Pour atteindre les objectifs mentionnés ci-dessus, on prévoit selon un premier aspect un dispositif optoélectronique comprenant un substrat et, sur une première face du substrat, au moins un empilement selon une direction longitudinale, ledit empilement comprenant au moins une couche d’injection d’un premier type de porteurs et une couche active. Avantageusement, le dispositif optoélectronique comprend un masque de croissance comportant une pluralité d’ouvertures et la couche active de l’au moins un empilement est confinée dans au moins une ouverture desdites ouvertures et ne s’étend pas en dehors de ladite au moins une ouverture. Le masque de croissance permet typiquement de guider au moins en partie une croissance de l’empilement selon la direction longitudinale. Il est de préférence configuré pour assurer cette fonction de guidage. SUMMARY To achieve the objectives mentioned above, according to a first aspect, an optoelectronic device is provided comprising a substrate and, on a first face of the substrate, at least one stack in a longitudinal direction, said stack comprising at least one injection layer. of a first type of carriers and an active layer. Advantageously, the optoelectronic device comprises a growth mask comprising a plurality of openings and the active layer of the at least one stack is confined in at least one opening of said openings and does not extend outside said at least one opening. . The growth mask typically makes it possible to at least partially guide a growth of the stack in the longitudinal direction. It is preferably configured to provide this guidance function.
Ainsi, la couche active du dispositif présente une structure pseudo bidimensionnelle au sein de l’au moins une ouverture. Cette structure pseudo bidimensionnelle est liée à la présence du masque de croissance sur toute la hauteur de la couche active. Le dispositif présente ainsi avantageusement une architecture 3D en bénéficiant d’une structure pseudo-2D. La structure pseudo-2D de la couche active permet de former facilement, de façon compatible avec un procédé de fabrication industriel, des puits quantiques selon un unique type de plans cristallographiques, en particulier selon des plans polaires. Cette architecture 3D est dite axiale. L’intégration d’un tel masque de croissance permet avantageusement de recourir à la MOVPE pour former respectivement la couche d’injection et la couche active selon une architecture 3D axiale. Le masque de croissance peut être en un matériau diélectrique de façon à isoler électriquement le substrat vis-à-vis d’un contact métallique ultérieurement déposé sur le sommet des empilements par exemple. Il peut également être transparent de façon à laisser passer un rayonnement lumineux émis ou reçu par les empilements. Thus, the active layer of the device has a pseudo two-dimensional structure within the at least one opening. This pseudo two-dimensional structure is linked to the presence of the growth mask over the entire height of the active layer. The device thus advantageously has a 3D architecture while benefiting from a pseudo-2D structure. The pseudo-2D structure of the active layer makes it possible to easily form, in a manner compatible with an industrial manufacturing process, quantum wells according to a single type of crystallographic planes, in particular according to polar planes. This 3D architecture is called axial. The integration of such a growth mask advantageously makes it possible to use MOVPE to respectively form the injection layer and the active layer according to an axial 3D architecture. The growth mask can be made of a dielectric material so as to electrically insulate the substrate from a metallic contact subsequently deposited on the top of the stacks, for example. It can also be transparent so as to allow light radiation emitted or received by the stacks to pass.
Selon un mode de réalisation préféré mais optionnel, le ou les empilements forment au sein du masque de croissance des LED axiales à structure 3D. Le dispositif comprend dès lors au moins une LED axiale dans l’au moins une ouverture du masque de croissance. Cette LED axiale est de préférence crue par épitaxie en phase vapeur à
précurseurs organométalliques (MOVPE) directement au sein de l’au moins une ouverture du masque de croissance. According to a preferred but optional embodiment, the stack (s) form axial LEDs with a 3D structure within the growth mask. The device therefore comprises at least one axial LED in the at least one opening of the growth mask. This axial LED is preferably believed by vapor phase epitaxy at Organometallic precursors (MOVPE) directly within the at least one opening of the growth mask.
Un deuxième aspect concerne un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique comprenant un substrat et, sur une première face du substrat, au moins un empilement selon une direction longitudinale d’au moins une couche d’injection d’un premier type de porteurs et une couche active. Ce procédé comprend : A second aspect relates to a method of manufacturing an optoelectronic device comprising a substrate and, on a first face of the substrate, at least one stack in a longitudinal direction of at least one injection layer of a first type of carriers and an active layer. This process includes:
Une fourniture du substrat comprenant de préférence une couche de nucléation, A supply of the substrate preferably comprising a nucleation layer,
Une formation d’un masque de croissance sur le substrat, ledit masque de croissance comprenant au moins une ouverture selon la direction longitudinale au travers de laquelle est exposée une zone du substrat ou de la couche de nucléation, Formation of a growth mask on the substrate, said growth mask comprising at least one opening in the longitudinal direction through which is exposed an area of the substrate or of the nucleation layer,
Une formation, à partir de la zone exposée du substrat ou de la couche de nucléation, de la couche d’injection du premier type de porteurs au sein de l’au moins une ouverture, A formation, from the exposed area of the substrate or the nucleation layer, of the injection layer of the first type of carriers within the at least one opening,
Une formation de la couche active sur ladite couche d’injection, au sein de l’au moins une ouverture, de sorte que ladite couche active soit confinée dans l’au moins une ouverture et ne s’étende pas en dehors de ladite au moins une ouverture. Selon un mode de réalisation préféré mais optionnel, les formations de la couche d’injection et de la couche active sont effectuées par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) selon la direction longitudinale dans l’au moins une ouverture. Formation of the active layer on said injection layer, within the at least one opening, so that said active layer is confined in the at least one opening and does not extend outside said at least an opening. According to a preferred but optional embodiment, the formations of the injection layer and of the active layer are carried out by vapor phase epitaxy with organometallic precursors (MOVPE) in the longitudinal direction in at least one opening.
La formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE de la couche d’injection et/ou de la couche active permet d’améliorer la compatibilité industrielle du procédé de fabrication de LED 3D axiales. MOVPE organometallic precursor vapor phase epitaxy formation of the injection layer and / or active layer improves the industrial compatibility of the 3D axial LED manufacturing process.
Selon un préjugé technique, il est généralement admis que la MOVPE ne permet pas de former de telles LED 3D axiales et qu’il est nécessaire de recourir à la MBE pour fabriquer de telles structures. Ainsi les solutions connues basées sur la MBE visent notamment à dimensionner les équipements permettant de mettre en œuvre la MBE, de façon à ce qu’ils soient compatibles avec une production industrielle. According to a technical prejudice, it is generally accepted that MOVPE does not allow forming such axial 3D LEDs and that it is necessary to resort to MBE to fabricate such structures. Thus, the known solutions based on MBE aim in particular to size the equipment making it possible to implement MBE, so that they are compatible with industrial production.
Selon le préjugé technique cité plus haut, la croissance par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE produit des couches sensiblement conformes. Ainsi, selon ce préjugé, un dépôt MOVPE d’une couche d’injection et/ou
d’une couche active sur un relief en saillie ou en creux couvre les flancs dudit relief, et la structure 3D obtenue présente dès lors une architecture dite radiale. According to the technical prejudice cited above, growth by vapor phase epitaxy with MOVPE organometallic precursors produces substantially conformal layers. Thus, according to this prejudice, a MOVPE deposit of an injection layer and / or an active layer on a protruding or recessed relief covers the sides of said relief, and the 3D structure obtained therefore has a so-called radial architecture.
Au contraire, dans le cadre du développement de la présente invention, il est apparu de façon surprenante qu’un tel dépôt MOVPE d’une couche d’injection et/ou d’une couche active au sein d’une ouverture d’un masque de croissance permet d’obtenir une structure 3D axiale. On the contrary, in the context of the development of the present invention, it has surprisingly appeared that such a MOVPE deposition of an injection layer and / or of an active layer within an opening of a mask growth yields an axial 3D structure.
Selon un autre aspect, l’invention prévoit un masque de croissance pour un dispositif optoélectronique comprenant un substrat et, sur une première face du substrat, au moins un empilement selon une direction longitudinale, ledit empilement comprenant au moins une couche d’injection d’un premier type de porteurs et une couche active. Le masque de croissance comporte une pluralité d’ouvertures. Le masque de croissance est configuré pour guider au moins en partie une croissance de l’empilement selon la direction longitudinale. Le masque de croissance est conformé de sorte que la couche active de l’au moins un empilement est confinée dans au moins une ouverture des ouvertures du masque de croissance et ne s’étend pas en dehors de ladite au moins une ouverture. According to another aspect, the invention provides a growth mask for an optoelectronic device comprising a substrate and, on a first face of the substrate, at least one stack in a longitudinal direction, said stack comprising at least one injection layer of a first type of carrier and an active layer. The growth mask has a plurality of openings. The growth mask is configured to at least in part guide growth of the stack in the longitudinal direction. The growth mask is shaped so that the active layer of the at least one stack is confined within at least one opening of the openings of the growth mask and does not extend outside said at least one opening.
Il est entendu que les caractéristiques et avantages d’un aspect de l’invention peuvent être transposés, mutatis mutandis, à un autre aspect de l’invention. It is understood that the characteristics and advantages of one aspect of the invention can be transposed, mutatis mutandis, to another aspect of the invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The aims, objects, as well as the characteristics and advantages of the invention will become more apparent from the detailed description of an embodiment thereof which are illustrated by the following accompanying drawings in which:
Les FIGURES 1A à 1E illustrent un procédé de formation d’un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation de la présente invention. Les FIGURES 2A à 2F illustrent un procédé de formation d’un dispositif optoélectronique selon un autre mode de réalisation de la présente invention. FIGURES 1A to 1E illustrate a method of forming an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention. FIGURES 2A to 2F illustrate a method of forming an optoelectronic device according to another embodiment of the present invention.
La FIGURE 3A est une image de microscopie électronique en transmission (TEM) d’un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation de la présente invention. La FIGURE 3B est une image de microscopie électronique à balayage en transmission (STEM) d’un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation de la présente invention. FIGURE 3A is a transmission electron microscopy (TEM) image of an optoelectronic device according to one embodiment of the present invention. FIGURE 3B is a transmission scanning electron microscopy (STEM) image of an optoelectronic device according to one embodiment of the present invention.
Les FIGURES 4A à 4G illustrent un procédé de formation d’un dispositif optoélectronique selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différents éléments du dispositif optoélectronique ne sont pas représentatives de la réalité. FIGURES 4A-4G illustrate a method of forming an optoelectronic device according to yet another embodiment of the present invention. The drawings are given by way of example and do not limit the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily on the scale of practical applications. In particular, the dimensions of the various elements of the optoelectronic device are not representative of reality.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DETAILED DESCRIPTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, il est rappelé que l’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement. Before starting a detailed review of embodiments of the invention, it is recalled that the invention according to its first aspect includes in particular the optional characteristics below which can be used in combination or alternatively.
Selon un exemple, la couche d’injection du premier type de porteurs est confinée dans l’au moins une ouverture du masque de croissance. In one example, the injection layer of the first type of carriers is confined in the at least one opening of the growth mask.
Selon un exemple, la couche d’injection du premier type de porteurs prend appui sur une couche de nucléation en un matériau différent du matériau de ladite couche d’injection. According to one example, the injection layer of the first type of carrier bears on a nucleation layer made of a material different from the material of said injection layer.
Selon un exemple, ledit au moins un empilement est bordé latéralement par une paroi de l’au moins une ouverture, sur une hauteur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs de la couche d’injection et de la couche active. According to one example, said at least one stack is bordered laterally by a wall of the at least one opening, over a height greater than or equal to the sum of the thicknesses of the injection layer and of the active layer.
Selon un exemple, l’empilement comprend en outre des miroirs de Bragg distribués (DBR) de sorte à former une cavité résonnante selon la direction longitudinale. According to one example, the stack further comprises distributed Bragg mirrors (DBR) so as to form a resonant cavity in the longitudinal direction.
Selon un exemple, le dispositif comprend un premier empilement et un deuxième empilement comprenant respectivement une première couche active et une deuxième couche active confinées respectivement dans une première ouverture et une deuxième ouverture du masque de croissance, lesdites première et deuxième ouvertures présentant respectivement une première surface et une deuxième surface, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale, différentes entre elles, et lesdites première et deuxième couches actives présentant respectivement une première épaisseur et une deuxième épaisseur, prises selon la direction longitudinale, différentes entre elles. According to one example, the device comprises a first stack and a second stack respectively comprising a first active layer and a second active layer confined respectively in a first opening and a second opening of the growth mask, said first and second openings respectively having a first surface and a second surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, different from each other, and said first and second active layers respectively having a first thickness and a second thickness, taken in the longitudinal direction, different from each other.
Selon un exemple, les premier et deuxième empilements comprennent respectivement une première couche d’injection du premier type de porteurs et une deuxième couche d’injection du premier type de porteurs confinées respectivement dans les première et deuxième ouvertures du masque de croissance, lesdites première
et deuxième couches d’injection présentant respectivement une première épaisseur et une deuxième épaisseur, prises selon la direction longitudinale, différentes entre elles. According to one example, the first and second stacks respectively comprise a first injection layer of the first type of carriers and a second injection layer of the first type of carriers confined respectively in the first and second openings of the growth mask, said first and second injection layers respectively having a first thickness and a second thickness, taken in the longitudinal direction, which are different from one another.
Selon un exemple, le dispositif comprend une pluralité d’empilements et de couches actives confinées dans une pluralité d’ouvertures du masque de croissance, et les ouvertures présentant des surfaces, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale, sensiblement égales entre elles sont séparées deux à deux par une distance de séparation ds choisie de sorte à ce que lesdites ouvertures forment une cavité résonnante dans un plan transverse à la direction longitudinale. Ladite cavité résonnante est donc typiquement formée par une pluralité d’empilements de même taille, plus particulièrement de taille inférieure à 1pm. Cela permet de former un cristal photonique. Cela permet par conséquent une sélection plus précise et fiable de la longueur d’onde d’émission, due au filtre formé par le cristal photonique. According to one example, the device comprises a plurality of stacks and active layers confined in a plurality of openings of the growth mask, and the openings having surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, substantially equal to each other are separated in pairs by a separation distance ds chosen so that said openings form a resonant cavity in a plane transverse to the longitudinal direction. Said resonant cavity is therefore typically formed by a plurality of stacks of the same size, more particularly of size less than 1 μm. This makes it possible to form a photonic crystal. This therefore allows a more precise and reliable selection of the emission wavelength, due to the filter formed by the photonic crystal.
Une cavité résonnante est ici intrinsèquement liée à l’existence d’un réseau d’ouvertures de mêmes tailles ou de mêmes surfaces. Ainsi, trois ouvertures présentant trois tailles différentes, par exemple pour émettre à trois longueurs différentes, ne suffisent pas à former une cavité résonnante. Il est notamment nécessaire d’avoir une pluralité d’ouvertures de même taille, ordonnées selon un réseau régulier, pour former une cavité résonnante dans le plan transverse à la direction longitudinale. La formation d’un cristal photonique implique en particulier une très faible tolérance sur le pas du réseau d’ouvertures et sur le diamètre des empilements. Aussi, une croissance des empilements au travers d’un masque de croissance - plutôt que sur un substrat plan - permet avantageusement un excellent contrôle des dimensions critiques permettant l’obtention de ce cristal photonique (distance de séparation, taille d’ouvertures). A resonant cavity is here intrinsically linked to the existence of a network of openings of the same sizes or the same surfaces. Thus, three openings having three different sizes, for example to emit at three different lengths, are not sufficient to form a resonant cavity. In particular, it is necessary to have a plurality of openings of the same size, ordered in a regular network, to form a resonant cavity in the plane transverse to the longitudinal direction. The formation of a photonic crystal implies in particular a very low tolerance on the pitch of the aperture network and on the diameter of the stacks. Also, growing the stacks through a growth mask - rather than on a flat substrate - advantageously allows excellent control of the critical dimensions allowing this photonic crystal to be obtained (separation distance, size of apertures).
La solution retenue dans le cadre de la présente invention permet en outre de se libérer de la contrainte d’un remplissage très homogène et dense entre les empilements, qui est difficile à obtenir pour des distances de séparation inférieures au pm telles que requises pour la réalisation d’un cristal photonique. Selon un exemple, une planarisation est réalisée après la croissance des empilements, par exemple à l’aide d’un remplissage des ouvertures au-dessus des empilements par un matériau de planarisation. Cette planarisation peut se faire par dépôt par centrifugation (connue sous le nom de « spin coating »), éventuellement suivi par un polissage mécano-chimique (connu sous l’acronyme « CMP » signifiant
Chemical Mechanical Polishing). Cette planarisation améliore la qualité du cristal photonique. The solution adopted in the context of the present invention also makes it possible to free oneself from the constraint of a very homogeneous and dense filling between the stacks, which is difficult to obtain for separation distances of less than 1 μm as required for the production. of a photonic crystal. According to one example, a planarization is carried out after the growth of the stacks, for example by means of a filling of the openings above the stacks with a planarization material. This planarization can be done by deposition by centrifugation (known under the name of "spin coating"), optionally followed by mechanical-chemical polishing (known by the acronym "CMP" meaning Chemical Mechanical Polishing). This planarization improves the quality of the photonic crystal.
Selon un exemple, la couche d’injection du premier type de porteurs présente une face avant en contact avec la couche active au sein de l’ouverture, et une face arrière opposée à la face avant et en contact avec une couche conductrice transparente. Cela permet de former un dispositif présentant un contact transparent en face arrière. Un tel dispositif peut avantageusement être réalisé par un procédé de retournement et de report de puce, couramment dénommé « flip chip » (signifiant « retournement de puce »). L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement : According to one example, the injection layer of the first type of carrier has a front face in contact with the active layer within the opening, and a rear face opposite the front face and in contact with a transparent conductive layer. This makes it possible to form a device having a transparent contact on the rear face. Such a device can advantageously be produced by a chip flipping and transfer process, commonly called a “flip chip” (meaning “chip flipping”). The invention according to its second aspect comprises in particular the optional characteristics below which can be used in combination or alternatively:
Selon un exemple, les formations de la couche d’injection et de la couche active sont effectuées par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) selon la direction longitudinale dans l’au moins une ouverture. Selon un exemple, le masque de croissance comprend au moins une première ouverture et une deuxième ouverture présentant respectivement une première surface et une deuxième surface, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale, différentes entre elles. According to one example, the formation of the injection layer and the active layer are carried out by vapor phase epitaxy with organometallic precursors (MOVPE) in the longitudinal direction in at least one opening. According to one example, the growth mask comprises at least a first opening and a second opening having respectively a first surface and a second surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, different from one another.
Selon un exemple, la formation de la couche active comprend une formation d’une première couche active au sein de la première ouverture et simultanément, une formation d’une deuxième couche active au sein de la deuxième ouverture de sorte que lesdites première et deuxième couches actives présentent des épaisseurs, prises selon la direction longitudinale, différentes entre elles. According to one example, the formation of the active layer comprises a formation of a first active layer within the first opening and simultaneously, a formation of a second active layer within the second opening so that said first and second layers active have thicknesses, taken in the longitudinal direction, different from each other.
Selon un exemple, le masque de croissance comprend une pluralité d’ouvertures. In one example, the growth mask includes a plurality of openings.
Selon un exemple, les ouvertures présentant des surfaces, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale, sensiblement égales entre elles sont séparées deux à deux par une distance de séparation ds choisie de sorte à ce que lesdites ouvertures forment une cavité résonnante dans un plan transverse à la direction longitudinale. Selon un exemple, plusieurs cavités résonnantes peuvent être formées par l’intermédiaire d’un seul masque de croissance. Ainsi, une pluralité de premières ouvertures présentant une première taille et séparées par une première distance de séparation correspondant à un premier pas de réseau, forment typiquement une première cavité résonnante. Une pluralité de deuxièmes ouvertures présentant une deuxième taille et séparées par une deuxième distance de séparation correspondant à
un deuxième pas de réseau, forment typiquement une deuxième cavité résonnante. Une pluralité de troisièmes ouvertures présentant une troisième taille et séparées par une troisième distance de séparation correspondant à un troisième pas de réseau, forment typiquement une troisième cavité résonnante. Ces première, deuxième et troisième cavités résonnantes peuvent coexister au sein du masque de croissance, par exemple respectivement au niveau de première, deuxième et troisième zones juxtaposées et distinctes du masque de croissance, ou de façon entremêlées. Ces première, deuxième et troisième cavités résonnantes permettent typiquement de filtrer et/ou d’exacerber l’émission de lumière selon des première, deuxième et troisième longueurs d’onde. According to one example, the openings having surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, substantially equal to each other are separated in pairs by a separation distance ds chosen so that said openings form a resonant cavity in a plane transverse to the longitudinal direction. According to one example, several resonant cavities can be formed by means of a single growth mask. Thus, a plurality of first openings having a first size and separated by a first separation distance corresponding to a first network pitch, typically form a first resonant cavity. A plurality of second openings having a second size and separated by a second separation distance corresponding to a second network pitch, typically form a second resonant cavity. A plurality of third openings having a third size and separated by a third separation distance corresponding to a third network pitch, typically form a third resonant cavity. These first, second and third resonant cavities can coexist within the growth mask, for example respectively at the level of first, second and third juxtaposed and distinct zones of the growth mask, or in an intermixed manner. These first, second and third resonant cavities typically make it possible to filter and / or exacerbate the emission of light according to first, second and third wavelengths.
Selon un exemple, la distance de séparation ds est comprise entre 50 nm et 700 nm. According to one example, the separation distance ds is between 50 nm and 700 nm.
Selon un exemple, le substrat comprend une couche en un matériau semiconducteur sur la couche de nucléation et la formation du masque de croissance comprend : According to one example, the substrate comprises a layer of a semiconductor material on the nucleation layer and the formation of the growth mask comprises:
Une gravure de la couche en un matériau semiconducteur, depuis une face supérieure jusqu’à une interface avec la couche de nucléation, de sorte à former l’au moins une ouverture exposant la zone de la couche de nucléation, Une passivation au moins au niveau de la face supérieure de la couche en un matériau semiconducteur et d’une paroi de l’au moins une ouverture. Etching of the layer in a semiconductor material, from an upper face to an interface with the nucleation layer, so as to form the at least one opening exposing the zone of the nucleation layer, Passivation at least at the level of the upper face of the layer of a semiconductor material and of a wall of the at least one opening.
La réalisation du masque de croissance en un matériau semi-conducteur passivé permet de mieux maîtriser le diamètre et le positionnement des ouvertures pour des ouvertures de hauteur importante. Cela permet notamment de limiter ou d’éviter l’apparition de déformations le long de la hauteur des ouvertures. La passivation des ouvertures permet d’utiliser le GaN pour réaliser une grande partie du masque de croissance. Cela permet d’éviter de recourir au dépôt d’un matériau spécifique pour former le masque de croissance. Le substrat à base de GaN peut être directement utilisé comme modèle de masque de croissance. Ainsi, la gravure des ouvertures se fait directement dans ledit substrat, et une simple étape de passivation peut typiquement suffire à finaliser la formation du masque de croissance. Le masque est ainsi réalisé dans une couche en un matériau semiconducteur ou conducteur, tel que le GaN, passivée au niveau des parois des ouvertures et entre les ouvertures. Le fond des ouvertures n’est pas passivé, ou la couche de passivation est retirée au niveau du fond des ouvertures, de façon à permettre la croissance des empilements dans les ouvertures. Les ouvertures sont de préférence réalisées sur une
partie seulement de la hauteur de la couche à base de GaN du substrat, de sorte que le fond des ouvertures corresponde directement à une partie exposée de ladite couche à base de GaN. The production of the growth mask from a passivated semiconductor material makes it possible to better control the diameter and the positioning of the openings for large openings. This makes it possible in particular to limit or avoid the appearance of deformations along the height of the openings. Passivation of the openings makes it possible to use GaN to make a large part of the growth mask. This makes it possible to avoid having to resort to the deposition of a specific material to form the growth mask. The GaN-based substrate can be directly used as a growth mask template. Thus, the etching of the openings is done directly in said substrate, and a simple passivation step may typically be sufficient to finalize the formation of the growth mask. The mask is thus produced in a layer of a semiconductor or conductor material, such as GaN, passivated at the level of the walls of the openings and between the openings. The bottom of the openings is not passivated, or the passivation layer is removed at the bottom of the openings, so as to allow the growth of stacks in the openings. The openings are preferably made on a only part of the height of the GaN-based layer of the substrate, so that the bottom of the openings directly corresponds to an exposed part of said GaN-based layer.
Un tel masque de croissance comprenant une partie du substrat à base de GaN permet avantageusement d’augmenter de manière significative la qualité de la croissance des empilements dans les ouvertures. La partie du substrat à base de GaN formant le fond des ouvertures forme une couche de nucléation pour la croissance de l’empilement. Il n’est donc pas nécessaire de prévoir une couche de nucléation additionnelle sur le fond des ouvertures. Cela permet de réduire l’épaisseur totale de l’empilement. Cette réduction en épaisseur de l’empilement améliore considérablement la qualité cristalline des différentes couches de l’empilement, en particulier de la zone active enterrée au sein de l’empilement. Such a growth mask comprising a part of the GaN-based substrate advantageously makes it possible to significantly increase the quality of the growth of the stacks in the openings. The part of the GaN-based substrate forming the bottom of the openings forms a nucleation layer for the growth of the stack. It is therefore not necessary to provide an additional nucleation layer on the bottom of the openings. This helps reduce the overall thickness of the stack. This reduction in thickness of the stack considerably improves the crystalline quality of the various layers of the stack, in particular of the active zone buried within the stack.
Par ailleurs, la passivation des flancs ou parois des ouvertures, qui permet une croissance dirigée selon la direction longitudinale, sans croissance parasite sur les flancs des ouvertures, permet également d’éviter les recombinaisons de porteurs qui sont susceptibles de se produire sur le pourtour des empilements. Furthermore, the passivation of the flanks or walls of the openings, which allows growth directed in the longitudinal direction, without parasitic growth on the flanks of the openings, also makes it possible to avoid the recombinations of carriers which are likely to occur around the periphery of the openings. stacks.
Cette passivation permet également d’inhiber la croissance des couches d’empilement sur la face supérieure ou le sommet du masque de croissance. Cela permet de favoriser la croissance des empilements au fond des cavités. Cette passivation permet également d’isoler les couches supérieures des empilements, par exemple la couche d’injections de trous à base de GaN-p, vis-à-vis du substrat, par exemple à base de GaN-n. This passivation also helps inhibit the growth of the stack layers on the top face or top of the growth mask. This helps promote the growth of stacks at the bottom of the cavities. This passivation also makes it possible to isolate the upper layers of the stacks, for example the GaN-p-based hole injection layer, from the substrate, for example based on GaN-n.
Par ailleurs, la partie à base de semiconducteur d’un tel masque de croissance peut avantageusement améliorer l’extraction de lumière et/ou moduler le champ lointain de l’émission de lumière. Le choix dans la composition du semiconducteur peut notamment exacerber l’un et/ou l’autre de ces effets. Furthermore, the semiconductor-based part of such a growth mask can advantageously improve light extraction and / or modulate the far field of light emission. The choice in the composition of the semiconductor can in particular exacerbate one and / or the other of these effects.
Selon un exemple, le procédé comprend, avant la passivation, une formation d’une couche réflectrice au moins en partie sur la paroi de l’au moins une ouverture. According to one example, the method comprises, before the passivation, forming a reflective layer at least in part on the wall of the at least one opening.
Selon un exemple, le procédé comprend, après formation de la couche active : - Une formation d’une couche de blocage d’électrons sur la couche active,According to one example, the method comprises, after formation of the active layer: - Formation of an electron blocking layer on the active layer,
Une formation d’une couche d’injection d’un deuxième type de porteurs (pGaN) sur la couche de blocage d’électrons, Formation of an injection layer of a second type of carrier (pGaN) on the electron blocking layer,
Une formation de contacts métalliques sur ladite couche d’injection du deuxième type de porteurs (pGaN), - Une fourniture d’un deuxième substrat,
Un assemblage dudit deuxième substrat au niveau des contacts métalliques, Un retrait du substrat (1) comprenant l’au moins une couche (11) de nucléation, Formation of metallic contacts on said injection layer of the second type of carriers (pGaN), - Provision of a second substrate, An assembly of said second substrate at the level of the metal contacts, A withdrawal of the substrate (1) comprising the at least one nucleation layer (11),
Une formation de contacts électriques transparents au niveau de la couche d’injection du premier type de porteurs (30). Formation of transparent electrical contacts at the injection layer of the first type of carriers (30).
Un tel procédé est de type « flip chip ». Such a method is of the “flip chip” type.
Selon un exemple, le masque de croissance comprend une pluralité d’ouvertures réparties selon des premier, deuxième et troisième sous-ensembles comprenant respectivement des ouvertures présentant des première, deuxième et troisième surfaces moyennes, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale, différentes entre elles. According to one example, the growth mask comprises a plurality of openings distributed according to first, second and third sub-assemblies respectively comprising openings having first, second and third average surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, different between them.
Selon un exemple, les première, deuxième et troisième surfaces moyennes sont choisies de manière à former respectivement des premier, deuxième et troisième sous- ensembles comprenant respectivement des couches actives présentant des première, deuxième et troisième épaisseurs, prises selon la direction longitudinale, différentes entre elles, lesdits sous-ensembles de couches actives étant configurés pour émettre des rayonnements lumineux présentant respectivement des première, deuxième et troisième longueurs d’onde différentes entre elles. According to one example, the first, second and third average surfaces are chosen so as to form respectively first, second and third subsets comprising respectively active layers having first, second and third thicknesses, taken in the longitudinal direction, different between them, said subsets of active layers being configured to emit light radiations having respectively first, second and third wavelengths different from one another.
Selon un exemple, les première, deuxième et troisième longueurs d’onde appartiennent au spectre électromagnétique du visible et sont choisies dans ce spectre de façon à émettre respectivement une lumière rouge, verte et bleue. According to one example, the first, second and third wavelengths belong to the visible electromagnetic spectrum and are chosen from this spectrum so as to emit red, green and blue light, respectively.
Selon un exemple, la formation de la couche d’injection du premier type de porteurs se fait simultanément au sein de toutes les ouvertures de sorte que l’épaisseur de ladite couche d’injection varie en fonction de la surface, prise dans un plan transverse à la direction longitudinale, des ouvertures. According to one example, the formation of the injection layer of the first type of carrier takes place simultaneously within all the openings so that the thickness of said injection layer varies as a function of the surface, taken in a transverse plane. in the longitudinal direction, openings.
Selon un exemple, la formation de la couche active se fait simultanément au sein de toutes les ouvertures de sorte que l’épaisseur de ladite couche active varie en fonction de la surface, prise dans un plan transverse à la direction longitudinale, des ouvertures. According to one example, the formation of the active layer takes place simultaneously within all the openings so that the thickness of said active layer varies depending on the surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction, of the openings.
Selon un exemple, la couche d’injection du premier type de porteurs (30) est à base de GaN, et la couche active est à base d’InGaN. According to one example, the injection layer of the first type of carriers (30) is based on GaN, and the active layer is based on InGaN.
Sauf incompatibilité, il est entendu que le procédé de fabrication et le dispositif optoélectronique peuvent comprendre, mutatis mutandis, l’une quelconque des caractéristiques optionnelles ci-dessus. Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné
peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif. En particulier, le nombre d’ouvertures, les différentes formes d’ouvertures et/ou les différentes distances de séparation illustrées sur les figures peuvent être combinés de manière à former un autre mode de réalisation qui n’est pas nécessairement illustré ou décrit. Un tel mode de réalisation n’est évidemment pas exclu de l’invention. Unless there is any incompatibility, it is understood that the manufacturing method and the optoelectronic device can comprise, mutatis mutandis, any one of the optional characteristics above. Unless specifically indicated to the contrary, the technical characteristics described in detail for a given embodiment can be combined with the technical characteristics described in the context of other embodiments described by way of example and not by way of limitation. In particular, the number of openings, the different shapes of openings and / or the different separation distances illustrated in the figures can be combined so as to form another embodiment which is not necessarily illustrated or described. Such an embodiment is obviously not excluded from the invention.
Dans la présente invention, le procédé de fabrication est en particulier dédié à la fabrication de LED présentant une architecture 3D (3D LED). In the present invention, the manufacturing method is in particular dedicated to the manufacture of LEDs having a 3D architecture (3D LED).
L’invention peut être mise en œuvre plus largement pour différents dispositifs optoélectroniques à architecture 3D, et notamment ceux comprenant des couches actives. The invention can be implemented more widely for various optoelectronic devices with 3D architecture, and in particular those comprising active layers.
On entend par couche active ou région active d’un dispositif optoélectronique la couche ou la région depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement lumineux fourni par ce dispositif, ou la région depuis laquelle est captée la majorité du rayonnement lumineux reçu par ce dispositif. By active layer or active region of an optoelectronic device is meant the layer or region from which the majority of the light radiation supplied by this device is emitted, or the region from which the majority of the light radiation received by this device is captured.
L’invention peut donc être également mise en œuvre dans le cadre de dispositifs laser ou photovoltaïque. The invention can therefore also be implemented in the context of laser or photovoltaic devices.
Sauf mention explicite, il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, la disposition relative d’une troisième couche intercalée entre une première couche et une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les couches sont directement au contact les unes des autres, mais signifie que la troisième couche est soit directement au contact des première et deuxième couches, soit séparée de celles- ci par au moins une autre couche ou au moins un autre élément. Par exemple, une couche de blocage d’électrons intercalée entre la couche active et la couche d’injection du deuxième type de porteurs n’est pas nécessairement directement au contact de l’une ou de l’autre, et d’autres couches présentant d’autres fonctions peuvent être éventuellement ajoutées. Unless explicitly mentioned, it is specified that, in the context of the present invention, the relative arrangement of a third layer interposed between a first layer and a second layer, does not necessarily mean that the layers are directly in contact with each other. , but means that the third layer is either directly in contact with the first and second layers, or separated from them by at least one other layer or at least one other element. For example, an electron blocking layer interposed between the active layer and the injection layer of the second type of carriers is not necessarily directly in contact with one or the other, and other layers exhibiting other functions can possibly be added.
Les étapes de formation des différents éléments (masque de croissance, couches d’injection et couche active...) s’entendent au sens large : elles peuvent être réalisées en plusieurs sous-étapes qui ne sont pas forcément strictement successives. The stages in the formation of the different elements (growth mask, injection layers and active layer, etc.) are understood in a broad sense: they can be carried out in several sub-stages which are not necessarily strictly successive.
On entend par diamètre la dimension transverse la plus grande de l’ouverture. Dans la présente invention, les ouvertures ne présentent pas nécessairement une section transverse circulaire. En particulier, dans le cas d’ouvertures formées à partir d’une couche à base de GaN, cette section peut être hexagonale. Le diamètre correspond alors à la distance séparant deux sommets opposés de la section
hexagonale. Alternativement, le diamètre peut correspondre à un diamètre moyen calculé à partir du diamètre d’un cercle inscrit dans le polygone de la section transverse et du diamètre d’un cercle circonscrit de ce polygone. By diameter is meant the largest transverse dimension of the opening. In the present invention, the openings do not necessarily have a circular cross section. In particular, in the case of openings formed from a GaN-based layer, this section can be hexagonal. The diameter then corresponds to the distance separating two opposite vertices of the section hexagonal. Alternatively, the diameter may correspond to an average diameter calculated from the diameter of a circle inscribed in the polygon of the cross section and the diameter of a circle circumscribed by this polygon.
La distance de séparation ds est la plus petite distance séparant deux ouvertures adjacentes. The separation distance ds is the smallest distance between two adjacent openings.
Dans la présente demande de brevet, les termes « diode électroluminescente », « LED » ou simplement « diode » sont employés en synonymes. Une « LED » peut également s’entendre d’une « micro-LED ». In the present patent application, the terms “light-emitting diode”, “LED” or simply “diode” are used synonymously. An "LED" can also be understood as a "micro-LED".
Dans la suite, les abréviations suivantes relatives à un matériau M sont éventuellement utilisées : In the following, the following abbreviations relating to a material M are optionally used:
M-i réfère au matériau M intrinsèque ou non intentionnellement dopé, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -i. M-i refers to the material M which is intrinsic or not intentionally doped, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -i.
M-n réfère au matériau M dopé N, N+ ou N++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -n. M-n refers to the material M doped with N, N + or N ++, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -n.
M-p réfère au matériau M dopé P, P+ ou P++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -p. On entend par un substrat, une couche, un dispositif, « à base » d’un matériauM-p refers to the material M doped with P, P + or P ++, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -p. By a substrate, a layer, a device, "based" on a material is meant
M, un substrat, une couche, un dispositif comprenant ce matériau M uniquement ou ce matériau M et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments d’alliage, des impuretés ou des éléments dopants. Ainsi, une couche à base de nitrure de gallium (GaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium (GaN ou GaN-i) ou du nitrure de gallium dopé (GaN-p, GaN-n). Une région active à base de nitrure de gallium-indium (InGaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium-aluminium (AIGaN) ou du nitrure de gallium avec différentes teneurs en aluminium et en indium (GalnAIN). M, a substrate, a layer, a device comprising this material M only or this material M and possibly other materials, for example alloying elements, impurities or doping elements. Thus, a layer based on gallium nitride (GaN) can for example comprise gallium nitride (GaN or GaN-i) or doped gallium nitride (GaN-p, GaN-n). An active region based on gallium-indium nitride (InGaN) can for example comprise gallium-aluminum nitride (AIGaN) or gallium nitride with different aluminum and indium contents (GalnAIN).
Un repère, de préférence orthonormé, comprenant les axes x, y, z est représenté sur les figures annexées. A reference mark, preferably orthonormal, comprising the x, y, z axes is shown in the appended figures.
Dans la présente demande de brevet, on parlera préférentiellement d’épaisseur pour une couche et de hauteur pour une structure ou un dispositif. L’épaisseur est prise selon une direction normale au plan d’extension principal de la couche, et la hauteur est prise perpendiculairement au plan basal xy du substrat. Ainsi, une couche active présente typiquement une épaisseur selon z, et une LED présente une hauteur
selon z. Une épaisseur d’un dépôt axial est prise selon z. La direction longitudinale est parallèle à z. Les termes « vertical » et « latéral » s’entendent de directions prises respectivement selon z et perpendiculairement à z. In the present patent application, we will preferably speak of thickness for a layer and height for a structure or a device. The thickness is taken in a direction normal to the main extension plane of the layer, and the height is taken perpendicular to the basal xy plane of the substrate. Thus, an active layer typically has a thickness along z, and an LED has a height according to z. A thickness of an axial deposit is taken along z. The longitudinal direction is parallel to z. The terms “vertical” and “lateral” are understood to mean directions taken respectively along z and perpendicular to z.
Les valeurs dimensionnelles s'entendent aux tolérances de fabrication et de mesure près. Ainsi, deux distances de séparation ds identiques ou deux diamètres d’ouvertures identiques en théorie, peuvent présenter une légère variation dimensionnelle en pratique. The dimensional values get along with the manufacturing and measuring tolerances. Thus, two identical separation distances ds or two diameters of identical openings in theory, may present a slight dimensional variation in practice.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient, lorsqu’ils se rapportent à une valeur, « à 10% près » de cette valeur ou, lorsqu'ils se rapportent à une orientation angulaire, « à 10° près » de cette orientation. Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan. The terms “substantially”, “approximately”, “of the order of” mean, when they relate to a value, “within 10%” of this value or, when they relate to an angular orientation, “ within 10 ° ”of this orientation. Thus, a direction substantially normal to a plane means a direction having an angle of 90 ± 10 ° with respect to the plane.
Pour déterminer la géométrie des dispositifs et les compositions des différents éléments (couche active, masque de croissance par exemple) de ces dispositifs, on peut procéder à des analyses de Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ou de Microscopie Electronique en Transmission (MET ou TEM pour l’acronyme anglais de « Transmission Electron Microscopy ») ou encore ou de Microscopie Electronique en Transmission à Balayage STEM (acronyme anglais de « Scanning Transmission Electron Microscopy »). Le TEM ou le STEM se prêtent notamment bien à l’observation et à l’identification des puits quantiques - dont l’épaisseur est généralement de l’ordre de quelques nanomètres - dans la couche active. Différentes techniques listées ci-après de façon non exhaustive peuvent être mises en œuvre : l’imagerie en champ sombre (dark field) et en champ clair (bright field), en faisceau faible (weak beam), en diffraction aux grands angles HAADF (acronyme anglais de « High Angle Annular Dark Field »). To determine the geometry of the devices and the compositions of the different elements (active layer, growth mask for example) of these devices, it is possible to carry out Scanning Electron Microscopy (SEM) or Transmission Electron Microscopy (TEM or TEM) analyzes. for the English acronym of "Transmission Electron Microscopy") or even or of STEM Scanning Transmission Electron Microscopy (English acronym for "Scanning Transmission Electron Microscopy"). TEM or STEM are particularly well suited to the observation and identification of quantum wells - the thickness of which is generally on the order of a few nanometers - in the active layer. Different techniques listed below in a non-exhaustive way can be implemented: imaging in dark field (dark field) and bright field (bright field), in weak beam, in diffraction at large angles HAADF ( acronym for "High Angle Annular Dark Field").
Les compositions chimiques des différents éléments peuvent être déterminées à l’aide de la méthode bien connue EDX ou X-EDS, acronyme de « energy dispersive x- ray spectroscopy » qui signifie « analyse dispersive en énergie de photons X ». Cette méthode est bien adaptée pour analyser la composition de dispositifs optoélectroniques de petites tailles telles que des LED 3D. Elle peut être mise en œuvre sur des coupes métallurgiques au sein d’un Microscope Electronique à Balayage (MEB) ou sur des lames minces au sein d’un Microscope Electronique en Transmission (MET).
Les propriétés optiques des différent éléments, et notamment les longueurs d’onde principales d’émission des LED 3D axiales à base de GaN et/ou des couches actives à base d’InGaN, peuvent être déterminées par spectroscopie. The chemical compositions of the various elements can be determined using the well-known EDX or X-EDS method, acronym for “energy dispersive x-ray spectroscopy” which means “energy dispersive analysis of X photons”. This method is well suited for analyzing the composition of small size optoelectronic devices such as 3D LEDs. It can be implemented on metallurgical sections within a Scanning Electron Microscope (SEM) or on thin sections within a Transmission Electron Microscope (TEM). The optical properties of the various elements, and in particular the main emission wavelengths of axial 3D LEDs based on GaN and / or active layers based on InGaN, can be determined by spectroscopy.
Les spectroscopies de cathodoluminescence (CL) et de photoluminescence (PL) sont bien adaptées pour caractériser optiquement les structures 3D décrites dans la présente invention. Cathodoluminescence (CL) and photoluminescence (PL) spectroscopies are well suited to optically characterize the 3D structures described in the present invention.
Les techniques mentionnées ci-dessus peuvent notamment permettre de déterminer si un dispositif optoélectronique à architecture 3D axiale comprend une couche active et/ou des puits quantiques à base d’InGaN directement formés au sein d’un masque de croissance. Un tel masque de croissance peut être indicateur d’une mise en œuvre d’un dépôt de type MOVPE, tel que décrit dans la présente invention. The techniques mentioned above can in particular make it possible to determine whether an optoelectronic device with axial 3D architecture comprises an active layer and / or InGaN-based quantum wells directly formed within a growth mask. Such a growth mask can be indicative of an implementation of a deposition of MOVPE type, as described in the present invention.
Un premier exemple de réalisation d’un dispositif optoélectronique à architecture 3D axiale selon l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1A à 1E. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique tel que décrit au travers des exemples de réalisation ci-dessous. A first embodiment of an optoelectronic device with axial 3D architecture according to the invention will now be described with reference to Figures 1A to 1E. The present invention also relates to a method of manufacturing an optoelectronic device as described through the exemplary embodiments below.
La figure 1A illustre en coupe transverse la formation d’un masque de croissance 2 sur un substrat 1. Ce masque de croissance 2 peut être formé en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. Il comprend typiquement une pluralité d’ouvertures 20, 20’ débouchant sur le substrat 1. Un tel masque de croissance 2 est configuré pour guider la croissance de la couche active et/ou des couches d’injection de porteurs (électrons et/ou trous) au sein de chaque ouverture 20, 20’. FIG. 1A illustrates in cross section the formation of a growth mask 2 on a substrate 1. This growth mask 2 can be formed from a dielectric material, for example from silicon oxide. It typically comprises a plurality of openings 20, 20 'opening onto the substrate 1. Such a growth mask 2 is configured to guide the growth of the active layer and / or of the injection layers of carriers (electrons and / or holes ) within each opening 20, 20 '.
Le substrat 1 peut notamment se présenter sous forme d’un support massif en saphir ou en silicium. Dans ce dernier cas, il peut se présenter sous forme d’un wafer de diamètre 200 mm ou 300 mm. Cela permet de réduire les coûts. Cela permet également d’améliorer la compatibilité technologique avec les technologies de la microélectronique. Le saphir peut se présenter sous forme d’un wafer de diamètre 200 mm et permet de limiter le désaccord de paramètre de maille avec le GaN. Le substrat 1 sert notamment de support au dispositif optoélectronique. Il peut faire office de support mécanique et/ou de support d’épitaxie. Le substrat 1 peut avantageusement se limiter au seul support massif, sans couche superficielle supplémentaire. Il peut être sensiblement plan et parallèle au plan xy. Alternativement, il peut être texturé et/ou comprendre des motifs. Selon un exemple, le substrat 1 est un substrat saphir à motifs également dénommé PSS (acronyme de « Patterned Sapphire Substrate) connu de l’homme du métier. Ces motifs peuvent présenter des formes variées, par exemple une forme conique, hémisphérique, pyramidale.
Alternativement, le substrat 1 peut se présenter sous forme d’un empilement comprenant, selon la direction z, le support et au moins une autre couche, par exemple une couche tampon. Cette couche tampon peut être à base de GaN ou de polySi. Selon une autre possibilité, elle peut être à base d’autres nitrures métalliques, par exemple AIN. Elle peut être formée sur le support en silicium ou en saphir par épitaxie, de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »). Elle peut présenter une épaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanomètres, par exemple de 10 nm à 10 microns. Le substrat 1 peut également comprendre, alternativement ou en combinaison avec la couche tampon, une couche de nucléation, typiquement à base de GaN. Une telle couche de nucléation présente typiquement une faible épaisseur, par exemple inférieure à 100 nm. Cela permet d’améliorer la qualité cristalline de cette couche de nucléation à base de GaN. Le masque de croissance 2 est formé de préférence directement sur le substratThe substrate 1 can in particular be in the form of a solid support made of sapphire or silicon. In the latter case, it can be in the form of a wafer with a diameter of 200 mm or 300 mm. This helps to reduce costs. It also improves technological compatibility with microelectronic technologies. The sapphire can be in the form of a wafer with a diameter of 200 mm and makes it possible to limit the lattice parameter mismatch with the GaN. The substrate 1 serves in particular as a support for the optoelectronic device. It can act as a mechanical support and / or an epitaxy support. The substrate 1 can advantageously be limited to the single solid support, without additional surface layer. It can be substantially plane and parallel to the xy plane. Alternatively, it can be textured and / or include patterns. According to one example, the substrate 1 is a patterned sapphire substrate also called PSS (acronym for “Patterned Sapphire Substrate) known to those skilled in the art. These patterns can have various shapes, for example a conical, hemispherical or pyramidal shape. Alternatively, the substrate 1 can be in the form of a stack comprising, in the z direction, the support and at least one other layer, for example a buffer layer. This buffer layer can be based on GaN or on polySi. According to another possibility, it can be based on other metal nitrides, for example AIN. It can be formed on the silicon or sapphire support by epitaxy, preferably by vapor phase epitaxy with organometallic precursors MOVPE (acronym for “MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy”). It may have a thickness of the order of a few hundred nanometers, for example from 10 nm to 10 microns. The substrate 1 can also comprise, alternatively or in combination with the buffer layer, a nucleation layer, typically based on GaN. Such a nucleation layer typically has a low thickness, for example less than 100 nm. This makes it possible to improve the crystalline quality of this GaN-based nucleation layer. The growth mask 2 is preferably formed directly on the substrate.
1. Il peut présenter une hauteur b de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres, par exemple environ 50 nm, à quelques microns, par exemple de l’ordre de 2 pm. Il comprend de préférence une pluralité d’ouvertures 20, 20’. Un tel masque de croissance 2 est typiquement formé par une étape de dépôt, par exemple un dépôt chimique en phase vapeur CVD (acronyme de « Chemical Vapor Déposition »), suivie d’une étape de lithographie/gravure configurée pour définir les ouvertures (figure 1A). Le masque de croissance peut être en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium, ou en une combinaison de matériaux diélectriques. 1. It can have a height b of the order of a few tens of nanometers, for example about 50 nm, to a few microns, for example of the order of 2 µm. It preferably includes a plurality of openings 20, 20 ". Such a growth mask 2 is typically formed by a deposition step, for example a chemical vapor deposition CVD (acronym for “Chemical Vapor Deposition”), followed by a lithography / etching step configured to define the openings (figure 1A). The growth mask can be made of a dielectric material, for example silicon oxide or silicon nitride, or a combination of dielectric materials.
Les ouvertures 20, 20’ débouchent à la surface du substrat 1. Elles présentent de préférence une ou des parois sensiblement perpendiculaires au plan xy du substrat 1. Les ouvertures 20, 20’ présentent un contour fermé dans le plan xy. Elles présentent typiquement une dimension latérale prise dans le plan xy, par exemple un diamètre ou un diamètre moyen, comprise entre 50 nm et 500 nm. Ces ouvertures 20, 20’ sont de préférence circulaires. Comme illustré sur la figure 1A, elles peuvent avantageusement présenter des diamètres a, a’ différents. The openings 20, 20 ’open out to the surface of the substrate 1. They preferably have one or more walls substantially perpendicular to the xy plane of the substrate 1. The openings 20, 20’ have a closed contour in the xy plane. They typically have a lateral dimension taken in the xy plane, for example a diameter or an average diameter, between 50 nm and 500 nm. These openings 20, 20 ’are preferably circular. As illustrated in Figure 1A, they may advantageously have different diameters a, a ".
Les ouvertures 20, 20’ sont séparées entre elles par une distance de séparation ds, comprise par exemple entre 50 nm et 700 nm. Les ouvertures 20, 20’ peuvent être distribuées de façon régulière au sein du masque de croissance 2, par exemple sous forme d’un ou de plusieurs réseaux ordonnés. Dans l’exemple illustré à la figure 1B en vue de dessus, les ouvertures 20, 20’ se répartissent selon deux réseaux présentant
chacun un pas différent. Le pas p1, p2 de chaque réseau, i.e. la distance séparant les centres de deux ouvertures adjacentes d’un même réseau, est de préférence inférieur ou égal à 1 pm. Le pas d’un réseau d’ouvertures présentant un diamètre donné est égal à la somme du diamètre et de la distance de séparation ds séparant deux ouvertures adjacentes de ce réseau. Il peut être compris entre 100 nm et 1 pm. Le pas p 1, p2 de chaque réseau d’ouvertures 20, 20’ est choisi de sorte à former une cavité résonnante selon une direction parallèle au plan xy, pour une longueur d’onde d’émission déterminée. Un masque de croissance 2 comprenant des ouvertures ordonnées selon un ou plusieurs réseaux permet donc de former un ou plusieurs cristaux photoniques. The openings 20, 20 'are separated from one another by a separation distance ds, for example between 50 nm and 700 nm. The openings 20, 20 'can be distributed evenly within the growth mask 2, for example in the form of one or more ordered networks. In the example illustrated in FIG. 1B in top view, the openings 20, 20 'are distributed in two networks having each a different step. The pitch p1, p2 of each grating, ie the distance separating the centers of two adjacent openings of the same grating, is preferably less than or equal to 1 μm. The pitch of a network of openings having a given diameter is equal to the sum of the diameter and the separation distance ds separating two adjacent openings of this network. It can be between 100 nm and 1 µm. The pitch p 1, p2 of each array of openings 20, 20 'is chosen so as to form a resonant cavity in a direction parallel to the xy plane, for a determined emission wavelength. A growth mask 2 comprising openings ordered according to one or more networks therefore makes it possible to form one or more photonic crystals.
Les ouvertures 20, 20’ sont configurées pour accueillir chacune un empilement 3 comprenant au moins une couche 30 d’injection de porteurs d’un premier type, par exemple des électrons, et une couche active 31. The openings 20, 20 ’are configured to each accommodate a stack 3 comprising at least one layer 30 for injecting carriers of a first type, for example electrons, and an active layer 31.
La couche 30 d’injection d’électrons de l’empilement 3 est de préférence à base de GaN, notamment à base de GaN-n. Elle est de préférence orientée parallèlement à z selon une direction cristallographique [0001] correspondant à l’axe c d’une structure cristallographique hexagonale. The electron injection layer 30 of stack 3 is preferably based on GaN, in particular based on GaN-n. It is preferably oriented parallel to z in a crystallographic direction [0001] corresponding to the c axis of a hexagonal crystallographic structure.
La formation de cette couche 30 d’injection d’électrons à base de GaN-n peut se faire par épitaxie, de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »). Elle se fait de préférence simultanément dans chaque ouverture 20, 20’ du masque de croissance 2. The formation of this GaN-n-based electron injection layer 30 can be done by epitaxy, preferably by vapor phase epitaxy with organometallic precursors MOVPE (acronym for "MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy"). It is preferably done simultaneously in each opening 20, 20 ’of the growth mask 2.
Comme illustré à la figure 1 C, la couche 30 d’injection d’électrons est formée à la surface exposée du substrat 1, au fond de chaque ouverture 20, 20’. Dans chaque ouverture, la croissance de la couche 30 est contrainte latéralement par la paroi de l’ouverture 20, 20’. La couche 30 remplit ainsi progressivement l’ouverture considérée. Le volume de chaque couche 30 déposée ou épitaxiée simultanément au sein de chaque ouverture 20, 20’ est sensiblement constant. L’épaisseur h1, h2 de la couche 30 dépend ainsi avantageusement de la dimension latérale a, a’ de l’ouverture 20, 20’ considérée. Sur l’exemple illustré à la figure 1 C, la couche 30 présente avantageusement une épaisseur h1 pour chaque ouverture 20 de diamètre a, et une épaisseur h2 pour chaque ouverture 20’ de diamètre a’. Plus le diamètre d’ouverture est grand et moins l’épaisseur de couche 30 est importante. As shown in Figure 1C, the electron injection layer 30 is formed on the exposed surface of the substrate 1, at the bottom of each opening 20, 20 ". In each opening, the growth of layer 30 is constrained laterally by the wall of opening 20, 20 ". Layer 30 thus gradually fills the opening in question. The volume of each layer 30 deposited or epitaxied simultaneously within each opening 20, 20 ’is substantially constant. The thickness h1, h2 of the layer 30 thus advantageously depends on the lateral dimension a, a ’of the opening 20, 20’ in question. In the example illustrated in Figure 1C, the layer 30 advantageously has a thickness h1 for each opening 20 of diameter a, and a thickness h2 for each opening 20 "of diameter a". The larger the opening diameter, the less the layer thickness 30.
La couche active 31 de l’empilement 3 est de préférence à base d’InGaN. Elle comprend de préférence une pluralité de puits quantiques à base d’InGaN. Ces puits
quantiques sont typiquement configurés pour émettre un rayonnement lumineux selon une longueur d’onde principale h. Ils peuvent être classiquement séparés les uns des autres par des barrières à base de GaN. The active layer 31 of the stack 3 is preferably based on InGaN. It preferably comprises a plurality of quantum wells based on InGaN. These wells quantum cells are typically configured to emit light radiation at a main wavelength h. They can be conventionally separated from each other by GaN-based barriers.
Selon une possibilité préférée, les puits quantiques à base d’InGaN de la couche active 31 s’étendent parallèlement au plan xy du substrat 1, selon des plans cristallographiques de type c {0001}. L’empilement 3 comprenant une telle couche active 31 présente avantageusement une architecture axiale. Cette architecture axiale permet notamment d’incorporer une concentration en indium [In] importante dans les puits quantiques de la couche active 31. Plus la concentration en indium [In] des puits quantiques à base d’InGaN augmente, plus la longueur d’onde principale augmente. According to a preferred possibility, the quantum wells based on InGaN of the active layer 31 extend parallel to the xy plane of the substrate 1, according to crystallographic planes of the c {0001} type. The stack 3 comprising such an active layer 31 advantageously has an axial architecture. This axial architecture makes it possible in particular to incorporate a high indium [In] concentration in the quantum wells of the active layer 31. The more the indium [In] concentration of InGaN-based quantum wells increases, the longer the wavelength. main increases.
La formation de cette couche active 31 peut se faire par dépôt périodique de puits quantiques d’InGaN et de barrières de GaN par MOVPE. Elle se fait de préférence simultanément dans chaque ouverture 20, 20’ du masque de croissance 2 (figure 1D). Comme illustré à la figure 1D, la couche active 31 peut être formée directement sur la couche 30 d’injection de porteurs, dans chaque ouverture 20, 20’. Dans chaque ouverture, la croissance de la couche active 31 est contrainte latéralement par la paroi de l’ouverture 20, 20’. La couche active 31 remplit ainsi progressivement l’ouverture considérée. Le volume de chaque couche active 31 déposée ou épitaxiée simultanément au sein de chaque ouverture 20, 20’ est sensiblement constant. L’épaisseur e1, e2 de la couche active 31 dépend ainsi avantageusement de la dimension latérale a, a’ de l’ouverture 20, 20’ considérée. L’incorporation d’indium dépend également avantageusement de la dimension latérale a, a’ de l’ouverture 20, 20’ considérée. Sur l’exemple illustré à la figure 1D, la couche active 31 présente avantageusement une épaisseur e1 pour chaque ouverture 20 de diamètre a, et une épaisseur e2 pour chaque ouverture 20’ de diamètre a’. Plus le diamètre d’ouverture est grand et moins l’épaisseur de couche active 31 est importante. Plus le diamètre d’ouverture est grand et moins la concentration en indium [In] dans les puits de la couche active 31 est importante. Cela signifie que la longueur d’onde principale émise par les empilements 3 formés au sein des ouvertures de plus grande taille, est plus petite que la longueur d’onde principale émise par les empilements 3 formés au sein des ouvertures de plus petite taille. Sur la figure 1D, les ouvertures 20 de diamètre a peuvent être configurées pour que les empilements 3 formés dans lesdites ouvertures 20 présentent une longueur d’onde principale d’émission de l’ordre de 525 nm, dans le vert, et les ouvertures 20’ de diamètre a’ peuvent être configurées pour que les
empilements 3 formés dans lesdites ouvertures 20’ présentent une longueur d’onde principale d’émission de l’ordre de 450 nm, dans le bleu. The formation of this active layer 31 can be done by periodic deposition of InGaN quantum wells and GaN barriers by MOVPE. It is preferably carried out simultaneously in each opening 20, 20 'of the growth mask 2 (FIG. 1D). As illustrated in FIG. 1D, the active layer 31 can be formed directly on the carrier injection layer 30, in each opening 20, 20 '. In each opening, the growth of the active layer 31 is constrained laterally by the wall of the opening 20, 20 '. The active layer 31 thus gradually fills the opening in question. The volume of each active layer 31 deposited or epitaxied simultaneously within each opening 20, 20 'is substantially constant. The thickness e1, e2 of the active layer 31 thus advantageously depends on the lateral dimension a, a 'of the opening 20, 20' considered. The incorporation of indium also advantageously depends on the lateral dimension a, a 'of the opening 20, 20' considered. In the example illustrated in FIG. 1D, the active layer 31 advantageously has a thickness e1 for each opening 20 of diameter a, and a thickness e2 for each opening 20 'of diameter a'. The larger the opening diameter, the less the thickness of the active layer 31 is. The larger the opening diameter, the lower the indium concentration [In] in the wells of the active layer 31. This means that the main wavelength emitted by the stacks 3 formed within the apertures of larger size is smaller than the main wavelength emitted by the stacks 3 formed within the apertures of smaller size. In FIG. 1D, the openings 20 of diameter a can be configured so that the stacks 3 formed in said openings 20 have a main emission wavelength of the order of 525 nm, in the green, and the openings 20 'of diameter a' can be configured so that the stacks 3 formed in said openings 20 ′ exhibit a main emission wavelength of the order of 450 nm, in the blue.
Le procédé permet ainsi avantageusement de former simultanément plusieurs empilements 3 émettant à plusieurs longueurs d’onde principales, notamment en fonction des caractéristiques de taille des ouvertures du masque de croissance 2. The method thus advantageously makes it possible to simultaneously form several stacks 3 emitting at several main wavelengths, in particular as a function of the size characteristics of the openings of the growth mask 2.
Les empilements 3 comprennent typiquement, en plus de la couche 30 d’injection d’électrons et de la couche active 31, une couche 33 d’injections de trous, par exemple à base de GaN-p. Ils peuvent également comprendre une couche 32 de blocage d’électrons intercalée entre la couche active 31 et la couche 33 d’injection de trous, de façon connue (figure 1D). Ces couches 32, 33 peuvent être entièrement confinées dans les ouvertures 20, 20’, tel qu’illustré à la figure 1D. Selon une possibilité, la couche 33 d’injection de trous peut s’étendre au moins partiellement en dehors de l’ouverture correspondante. L’empilement 3 des couches 30, 31, 32, 33 forme typiquement une LED 3D axiale. L’empilement 3 peut éventuellement comprendre d’autres couches non illustrées, par exemple des couches formant des miroirs de Bragg distribués. Sur l’exemple illustré à la figure 1D, l’empilement 3 présente avantageusement une épaisseur b1 pour chaque ouverture 20 de diamètre a, et une épaisseur b2 pour chaque ouverture 20’ de diamètre a’. The stacks 3 typically comprise, in addition to the electron injection layer 30 and the active layer 31, a hole injection layer 33, for example based on GaN-p. They can also include an electron blocking layer 32 interposed between the active layer 31 and the hole injection layer 33, in a known manner (Figure 1D). These layers 32, 33 can be completely confined in the openings 20, 20 ’, as shown in Figure 1D. According to one possibility, the hole injection layer 33 may extend at least partially outside the corresponding opening. Stack 3 of layers 30, 31, 32, 33 typically forms an axial 3D LED. Stack 3 may optionally include other layers not shown, for example layers forming distributed Bragg mirrors. In the example illustrated in Figure 1D, the stack 3 advantageously has a thickness b1 for each opening 20 of diameter a, and a thickness b2 for each opening 20 ′ of diameter a ’.
Un contact électrique peut ensuite être formé sur les couches 33 d’injections de trous. Un tel contact peut se présenter sous forme d’une couche 40 conductrice, par exemple en métal ou en oxyde conducteur transparent (TCO), tel qu’illustré à la figure 1 E. An electrical contact can then be formed on the layers 33 of hole injections. Such a contact may be in the form of a conductive layer 40, for example made of metal or of transparent conductive oxide (TCO), as illustrated in FIG. 1 E.
Le dispositif ainsi formé comprend avantageusement des LED 3D axiales passivées par le masque de croissance 2. Le masque de croissance 2 permet en outre d’encapsuler latéralement les empilements 3. La tenue mécanique du dispositif est ainsi assurée. Les empilements sont avantageusement répartis, selon la taille des ouvertures dans lesquelles ils sont formés, en sous-ensembles émettant à différentes longueurs d’onde principales. Cela permet notamment de former des sous-pixels de différentes couleurs, typiquement rouge, vert et bleu (RGB). Ces sous-pixels peuvent être organisés selon des réseaux photoniques, tel qu’illustré en figure 1B, pour améliorer l’intensité d’émission de lumière. Selon une autre possibilité, ils peuvent être disposés en alternance les uns des autres, typiquement pour former un pixel à partir de trois sous-pixels RGB. The device thus formed advantageously comprises axial 3D LEDs passivated by the growth mask 2. The growth mask 2 also makes it possible to laterally encapsulate the stacks 3. The mechanical strength of the device is thus ensured. The stacks are advantageously distributed, according to the size of the openings in which they are formed, into sub-assemblies emitting at different main wavelengths. This makes it possible in particular to form sub-pixels of different colors, typically red, green and blue (RGB). These subpixels can be organized into photonic arrays, as shown in Figure 1B, to improve the intensity of light emission. According to another possibility, they can be arranged alternately from one another, typically to form a pixel from three RGB sub-pixels.
Le procédé de fabrication de ce dispositif permet avantageusement d’obtenir des empilements de différentes tailles, émettant à différentes longueurs d’onde, lors d’une
seule séquence de croissance de chacune des couches des empilements. Il permet en outre de mettre en œuvre des conditions de croissance de type 2D pour réaliser des empilements 3D. Cela permet la formation de couches actives comprenant des puits quantiques selon des plans cristallographiques de type c {0001}, dans un empilement 3D épitaxié par MOVPE. Le procédé permet ainsi de fabriquer un dispositif optoélectronique, en particulier à base de LED, combinant les avantages des conditions de croissance 2D et les avantages des architectures d’empilements 3D. The method of manufacturing this device advantageously makes it possible to obtain stacks of different sizes, emitting at different wavelengths, during a single growth sequence of each of the layers of the stacks. It also makes it possible to implement 2D type growth conditions to produce 3D stacks. This allows the formation of active layers comprising quantum wells according to crystallographic planes of type c {0001}, in a 3D stack epitaxied by MOVPE. The method thus makes it possible to manufacture an optoelectronic device, in particular based on LEDs, combining the advantages of 2D growth conditions and the advantages of 3D stack architectures.
Le choix du diamètre des ouvertures et de la distance de séparation entre les ouvertures permet en outre de contrôler l’épaisseur des couches actives et l’incorporation d’indium au sein des couches actives de ces ouvertures, de façon à ajuster in fine la longueur d’onde principale d’émission des empilements. The choice of the diameter of the openings and of the separation distance between the openings also makes it possible to control the thickness of the active layers and the incorporation of indium within the active layers of these openings, so as to ultimately adjust the length. of the main emission wave of the stacks.
Un deuxième exemple de réalisation est illustré aux figures 2A à 2F. Ce deuxième exemple présente une alternative de réalisation du masque de croissance 2. Selon ce deuxième exemple, le substrat 1 est surmonté par une couche 1’, par exemple en GaN (figure 2A). Cette couche 1’ en GaN est ensuite structurée et passivée de manière à former le masque de croissance 2. A second exemplary embodiment is illustrated in FIGS. 2A to 2F. This second example presents an alternative embodiment of the growth mask 2. According to this second example, the substrate 1 is surmounted by a layer 1 ′, for example made of GaN (FIG. 2A). This GaN layer 1 ’is then structured and passivated to form the growth mask 2.
Un masque dur 2’ est préalablement formé par lithographie en surface de la couche 1’ en GaN (figure 2B). Ce masque dur 2’ peut être classiquement en oxyde de silicium (Si02) ou en nitrure de silicium (SiN). Il comprend des ouvertures 21, 21’ de même forme que les ouvertures 20, 20’ à réaliser dans le masque de croissance 2. Ces ouvertures 21, 21’ présentent des dimensions latérales légèrement supérieures aux dimensions des ouvertures 20, 20’ à réaliser dans le masque de croissance 2. A hard mask 2 ’is previously formed by surface lithography of GaN layer 1’ (Figure 2B). This 2 ′ hard mask can conventionally be made of silicon oxide (Si02) or silicon nitride (SiN). It comprises openings 21, 21 'of the same shape as the openings 20, 20' to be produced in the growth mask 2. These openings 21, 21 'have lateral dimensions slightly greater than the dimensions of the openings 20, 20' to be produced in growth mask 2.
Une gravure anisotrope de la couche 1’, selon z et sur toute l’épaisseur de la couche 1’, est ensuite effectuée (figure 2C). Cette gravure peut se faire de façon connue par plasma en chimie chlorée, par exemple à partir d’un mélange CI2/Ar ou SiCI4/Ar. Anisotropic etching of layer 1 ’, along z and over the entire thickness of layer 1’, is then carried out (Figure 2C). This etching can be done in a known manner by plasma in chlorinated chemistry, for example from a CI2 / Ar or SiCl4 / Ar mixture.
Une passivation des parois exposées de la couche 1’ est ensuite effectuée, typiquement par dépôt d’une couche 2” diélectrique en Si02 ou en SiN (figure 2D). Cette couche 2” est continue et de préférence conforme. Elle est de préférence à base du même matériau diélectrique que le masque dur 2’. Passivation of the exposed walls of layer 1 ’is then performed, typically by depositing a dielectric layer 2 ″ of SiO 2 or SiN (Figure 2D). This 2 ”layer is continuous and preferably conformal. It is preferably based on the same dielectric material as the 2 ’hard mask.
Une gravure du matériau diélectrique est ensuite effectuée de façon à exposer la surface du substrat 1 tout en conservant une épaisseur de matériau diélectrique sur les surfaces de la couche 1’ en GaN. Le masque de croissance 2 et les ouvertures 20, 20’ du masque de croissance 2 sont ainsi formés. Cette gravure peut être isotrope si le dépôt de la couche 2” est conforme, ou anisotrope selon z si le dépôt de la couche 2”
est non conforme. Ces options peuvent être choisies de façon à obtenir une épaisseur de matériau diélectrique sensiblement constante sur les surfaces de la couche 1’ en GaN. Etching of the dielectric material is then performed so as to expose the surface of the substrate 1 while maintaining a thickness of dielectric material on the surfaces of the GaN layer 1 '. The growth mask 2 and the openings 20, 20 'of the growth mask 2 are thus formed. This etching can be isotropic if the deposition of layer 2 ”conforms, or anisotropic along z if the deposition of layer 2” is non-compliant. These options can be chosen so as to obtain a substantially constant dielectric material thickness on the surfaces of the GaN layer 1 ′.
La croissance et/ou le dépôt respectif de la couche 30 d’injection d’électrons, la couche active 31, la couche 32 de blocage d’électrons et la couche 33 d’injection de trous peuvent ensuite être réalisés comme précédemment au sein de ce masque de croissance 2 (figure 2F). D’autres modes de réalisation du masque de croissance 2 peuvent être envisagés, sans que cela modifie le principe de l’invention. The respective growth and / or deposition of the electron injection layer 30, the active layer 31, the electron blocking layer 32 and the hole injection layer 33 can then be carried out as above within this growth mask 2 (Figure 2F). Other embodiments of the growth mask 2 can be envisioned, without modifying the principle of the invention.
La figure 3A montre une image de microscopie électronique en transmission (TEM) d’un empilement 3 formé au sein d’une ouverture d’un masque de croissance 2 selon le principe du procédé décrit dans cette invention. Le masque de croissance 2 utilisé pour cette preuve de concept illustrée à la figure 3A comprend en variante une couche 2a de grande épaisseur en SiN et une couche 2b de faible épaisseur en Si02. Il présente une hauteur de l’ordre de 1 pm. Le substrat 1 utilisé pour cette preuve de concept comprend en variante une couche 1a de nucléation et une couche 1b de support. FIG. 3A shows a transmission electron microscopy (TEM) image of a stack 3 formed within an opening of a growth mask 2 according to the principle of the method described in this invention. The growth mask 2 used for this proof of concept illustrated in FIG. 3A comprises as a variant a layer 2a of great thickness in SiN and a layer 2b of small thickness in SiO 2. It has a height of around 1 µm. The substrate 1 used for this proof of concept comprises as a variant a nucleation layer 1a and a support layer 1b.
La couche 30 d’injection d’électrons en GaN-n, la couche active 31 et la couche 33 d’injection de trous en GaN-p ont été successivement épitaxiées au sein de l’ouverture 20 du masque de croissance 2. Les puits quantiques MQW de la couche active 31 s’étendent de façon sensiblement parallèle au plan xy de la surface du substrat 1. Cela apparaît encore plus clairement sur la figure 3B montrant une image de microscopie électronique à balayage en transmission (STEM) de ce type d’empilement 3. L’empilement 3 des différentes couches 30, 31, 33 forme donc une architecture axiale. La cavité 200 s’étendant à la base de l’ouverture 20 est ici due à une surgravure lors de la réalisation de l’ouverture 20 (figure 3A). Cette cavité 200 abrite ici un pied 300 de croissance de la couche 30 en GaN-n. La cavité 200 et le pied 300 de croissance illustrés dans cette preuve de concept à la figure 3A sont uniquement optionnels. Ils ne sont ni nécessaires, ni nuisibles au dispositif optoélectronique. Avantageusement, la croissance des différentes couches par MOVPE directement au sein de l’ouverture 20 n’induit pas de défauts structuraux dans les différentes couches 30, 31 , 33 au niveau de l’interface avec le masque de croissance 2 (figure 3A). Le masque de croissance 2 permet ainsi avantageusement de guider la croissance de l’empilement sans générer de défauts. Il permet en outre de passiver directement les flancs verticaux, i. e. sensiblement parallèles à z, de l’empilement 3.
Un troisième exemple d’un procédé de réalisation de type « flip chip » est illustré aux figures 4A à 4G. Selon ce troisième exemple, le dispositif comprend une pluralité d’empilements 3 répartis au sein du masque de croissance 2 en différents sous- ensembles SP1, SP2, SP3, SP1’ (figure 4A). Ces sous-ensembles SP1, SP2, SP3, SP1’ d’empilements 3 sont avantageusement formés au sein d’ouvertures du masque de croissance 2 présentant des diamètres différents, de manière à former des sous- pixels émettant à différentes longueurs d’onde, typiquement dans le rouge, le vert et le bleu. Les différents sous-ensembles SP1, SP2, SP3, SP1’ sont formés comme précédemment sur un premier substrat 1, au travers des ouvertures, puis recouverts par une couche 40 métallique (figure 4A). Cette couche 40 métallique est typiquement au contact des couches de GaN-p des empilements 3. La couche 40 métallique est ensuite structurée de manière à former des contacts distincts sur différents sous-pixels pris parmi les sous-ensembles SP1, SP2, SP3, SP1’ (figure 4B). Une couche 50 d’oxyde de silicium est ensuite déposée, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), en face avant du premier substrat 1 de façon à couvrir les structures précédemment formées (figure 4C). Cette couche 50 de Si02 permet d’assembler, par exemple par collage moléculaire, un deuxième substrat 11 en face avant du premier substrat 1 comprenant les structures du dispositif (figure 4D). Le deuxième substrat 11 est typiquement en silicium. Le premier substrat 1 est alors retiré, par exemple par rognage et polissage depuis sa face arrière, de façon à exposer la base des empilements 3 et du masque de croissance 2 (figure 4E). Une couche 60 d’oxyde conducteur transparent (TCO) peut ensuite être déposée « en face arrière », sur la base des empilements 3 et du masque de croissance 2 (figure 4F). Cette couche 60 de TCO est typiquement au contact des couches de GaN-n des empilements 3. Une couche 70 de passivation, par exemple en oxy-nitrure de silicium SiON, peut ensuite être déposée en face arrière. Les contacts 61 de type n sur la couche 60 de TCO et les contacts 41 de type p sur la couche 40 métallique sont ensuite respectivement structurés, par exemple sous forme de vias (figure 4G). The GaN-n electron injection layer 30, the active layer 31 and the GaN-p hole injection layer 33 were successively epitaxied within the opening 20 of the growth mask 2. The wells MQW quantums of active layer 31 extend substantially parallel to the xy plane of the surface of substrate 1. This appears even more clearly in Figure 3B showing a transmission scanning electron microscopy (STEM) image of this type. 'stack 3. The stack 3 of the different layers 30, 31, 33 therefore forms an axial architecture. The cavity 200 extending at the base of the opening 20 is here due to an overetching during the making of the opening 20 (FIG. 3A). This cavity 200 here houses a foot 300 of growth of the GaN-n layer 30. The cavity 200 and growth foot 300 illustrated in this proof of concept in Figure 3A are optional only. They are neither necessary nor harmful to the optoelectronic device. Advantageously, the growth of the various layers by MOVPE directly within the opening 20 does not induce structural defects in the various layers 30, 31, 33 at the level of the interface with the growth mask 2 (FIG. 3A). The growth mask 2 thus advantageously makes it possible to guide the growth of the stack without generating defects. It also makes it possible to passivate directly the vertical sides, ie substantially parallel to z, of the stack 3. A third example of a “flip chip” type production method is illustrated in FIGS. 4A to 4G. According to this third example, the device comprises a plurality of stacks 3 distributed within the growth mask 2 into different subsets SP1, SP2, SP3, SP1 ′ (FIG. 4A). These subsets SP1, SP2, SP3, SP1 'of stacks 3 are advantageously formed within openings of the growth mask 2 having different diameters, so as to form subpixels emitting at different wavelengths, typically in red, green and blue. The various sub-assemblies SP1, SP2, SP3, SP1 ′ are formed as above on a first substrate 1, through the openings, then covered by a metal layer 40 (FIG. 4A). This metallic layer 40 is typically in contact with the GaN-p layers of the stacks 3. The metallic layer 40 is then structured so as to form distinct contacts on different sub-pixels taken from the subsets SP1, SP2, SP3, SP1. '(Figure 4B). A layer 50 of silicon oxide is then deposited, for example by plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), on the front face of the first substrate 1 so as to cover the structures previously formed (FIG. 4C). This SiO 2 layer 50 makes it possible to assemble, for example by molecular bonding, a second substrate 11 on the front face of the first substrate 1 comprising the structures of the device (FIG. 4D). The second substrate 11 is typically made of silicon. The first substrate 1 is then removed, for example by trimming and polishing from its rear face, so as to expose the base of the stacks 3 and of the growth mask 2 (FIG. 4E). A layer 60 of transparent conductive oxide (TCO) can then be deposited “on the rear face”, on the basis of the stacks 3 and of the growth mask 2 (FIG. 4F). This TCO layer 60 is typically in contact with the GaN-n layers of the stacks 3. A passivation layer 70, for example made of silicon oxy-nitride SiON, can then be deposited on the rear face. The n-type contacts 61 on the TCO layer 60 and the p-type contacts 41 on the metallic layer 40 are then respectively structured, for example in the form of vias (FIG. 4G).
Un tel procédé permettant de retourner la puce supportant le dispositif optoélectronique est généralement connu sous la dénomination « flip chip ». Il permet de fabriquer un dispositif émettant par la face arrière. La couche 40 métallique peut typiquement faire office de réflecteur dans un tel dispositif. Such a method making it possible to turn over the chip supporting the optoelectronic device is generally known under the name “flip chip”. It makes it possible to manufacture a device emitting from the rear face. The metallic layer 40 can typically act as a reflector in such a device.
Le procédé selon l’invention permet avantageusement de réaliser différents sous-pixels RGB basés sur des architectures 3D, selon une seule et même séquence
de croissance, avec des conditions de croissance proches des procédés de croissance bidimensionnels. The method according to the invention advantageously makes it possible to produce different RGB sub-pixels based on 3D architectures, according to one and the same sequence. growth, with growth conditions similar to two-dimensional growth methods.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
The invention is not limited to the embodiments described above and extends to all the embodiments covered by the claims.
Claims
1. Dispositif optoélectronique comprenant un substrat (1) et, sur une première face du substrat (1), au moins un empilement (3) selon une direction longitudinale (z), ledit empilement comprenant au moins une couche (30) d’injection d’un premier type de porteurs et une couche active (31), le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend un masque de croissance (2) comportant une pluralité d’ouvertures (20, 20’) et en ce que la couche active (31) est confinée dans une des ouvertures (20, 20’) et ne s’étend pas en dehors de ladite ouverture (20, 20’). 1. Optoelectronic device comprising a substrate (1) and, on a first face of the substrate (1), at least one stack (3) in a longitudinal direction (z), said stack comprising at least one injection layer (30) of a first type of carriers and an active layer (31), the device being characterized in that it comprises a growth mask (2) comprising a plurality of openings (20, 20 ') and in that the layer active (31) is confined in one of the openings (20, 20 ') and does not extend outside said opening (20, 20').
2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la couche (30) d’injection du premier type de porteurs est confinée dans l’ouverture (20, 20’) du masque de croissance. 2. Device according to the preceding claim, wherein the injection layer (30) of the first type of carriers is confined in the opening (20, 20 ’) of the growth mask.
3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le substrat (1) comprend une couche de nucléation (1a) dont une face forme la première face du substrat, et dans lequel la couche (30) d’injection du premier type de porteurs prend appui sur la couche de nucléation (1a), ladite couche de nucléation (1a) étant en un matériau différent du matériau de la couche (30) d’injection. 3. Device according to the preceding claim, in which the substrate (1) comprises a nucleation layer (1a), one face of which forms the first face of the substrate, and in which the injection layer (30) of the first type of carriers takes bearing on the nucleation layer (1a), said nucleation layer (1a) being made of a material different from the material of the injection layer (30).
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un empilement (3) est bordé latéralement par une paroi de l’au moins une ouverture (20, 20’), sur une hauteur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs de la couche (30) d’injection et de la couche active (31). 4. Device according to any one of the preceding claims, wherein said at least one stack (3) is bordered laterally by a wall of the at least one opening (20, 20 '), over a height greater than or equal to the sum of the thicknesses of the injection layer (30) and of the active layer (31).
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’empilement (3) comprend en outre des miroirs de Bragg distribués5. Device according to any one of the preceding claims, wherein the stack (3) further comprises distributed Bragg mirrors
(DBR) de sorte à former une cavité résonnante selon la direction longitudinale (z). (DBR) so as to form a resonant cavity in the longitudinal direction (z).
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un empilement (3) comprend un premier empilement et un deuxième empilement comprenant respectivement une première couche active et une deuxième couche active confinées respectivement dans une première ouverture (20) et une deuxième ouverture (20’) du masque de croissance, lesdites première et deuxième ouvertures (20, 20’) présentant respectivement
une première surface et une deuxième surface, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), différentes entre elles, et lesdites première et deuxième couches actives (31) présentant respectivement une première épaisseur (e1) et une deuxième épaisseur (e2), prises selon la direction longitudinale (z), différentes entre elles. 6. Device according to any one of the preceding claims, in which the at least one stack (3) comprises a first stack and a second stack respectively comprising a first active layer and a second active layer respectively confined in a first opening (20 ) and a second opening (20 ') of the growth mask, said first and second openings (20, 20') having respectively a first surface and a second surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), different from each other, and said first and second active layers (31) respectively having a first thickness (e1) and a second thickness (e2) , taken in the longitudinal direction (z), different from each other.
7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les premier et deuxième empilements comprennent respectivement une première couche (30) d’injection du premier type de porteurs et une deuxième couche (30) d’injection du premier type de porteurs confinées respectivement dans les première et deuxième ouvertures (20, 20’) du masque de croissance, lesdites première et deuxième couches (30) d’injection présentant respectivement une première épaisseur (h1) et une deuxième épaisseur (h2), prises selon la direction longitudinale, différentes entre elles. 7. Device according to the preceding claim, wherein the first and second stacks respectively comprise a first layer (30) of injection of the first type of carriers and a second layer (30) of injection of the first type of carriers confined respectively in the first and second openings (20, 20 ') of the growth mask, said first and second injection layers (30) respectively having a first thickness (h1) and a second thickness (h2), taken in the longitudinal direction, different between they.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité d’empilements (3) comprenant chacune une couche active, et les couches actives (31) étant confinées dans une pluralité d’ouvertures (20, 20’) du masque de croissance, dans lequel les ouvertures présentant des surfaces, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), sensiblement égales entre elles sont séparées deux à deux par une distance de séparation ds choisie de sorte à ce que lesdites ouvertures forment une cavité résonnante dans un plan transverse à la direction longitudinale. 8. Device according to any one of the preceding claims, comprising a plurality of stacks (3) each comprising an active layer, and the active layers (31) being confined in a plurality of openings (20, 20 ') of the mask. growth, in which the openings having surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), substantially equal to each other are separated in pairs by a separation distance ds chosen so that said openings form a cavity resonant in a plane transverse to the longitudinal direction.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche (30) d’injection du premier type de porteurs présente une face avant en contact avec la couche active (31) au sein de l’ouverture, et une face arrière opposée à la face avant et en contact avec une couche (60) conductrice transparente. 9. Device according to any one of the preceding claims, wherein the injection layer (30) of the first type of carrier has a front face in contact with the active layer (31) within the opening, and a face. rear opposite to the front face and in contact with a transparent conductive layer (60).
10. Procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique comprenant un substrat (1) et, sur une première face du substrat (1), au moins un empilement (3), selon une direction longitudinale (z), d’au moins une couche (30) d’injection d’un premier type de porteurs et une couche active (31), ledit procédé comprenant :
- Une fourniture du substrat (1 ), 10. A method of manufacturing an optoelectronic device comprising a substrate (1) and, on a first face of the substrate (1), at least one stack (3), in a longitudinal direction (z), of at least one layer. (30) injection of a first type of carriers and an active layer (31), said method comprising: - A supply of the substrate (1),
- Une formation d’un masque de croissance (2) sur la première face du substrat (1), ledit masque de croissance (2) comprenant au moins une ouverture (20, 20’) selon la direction longitudinale (z) au travers de laquelle est exposée la première face, - A formation of a growth mask (2) on the first face of the substrate (1), said growth mask (2) comprising at least one opening (20, 20 ') in the longitudinal direction (z) through which is the first side exposed,
- Une formation, à partir de la zone exposée du substrat (1), de la couche (30) d’injection du premier type de porteurs au sein de l’au moins une ouverture (20, 20’), - A formation, from the exposed area of the substrate (1), of the injection layer (30) of the first type of carriers within the at least one opening (20, 20 ’),
- Une formation de la couche active (31) sur ladite couche (30) d’injection, au sein de l’au moins une ouverture (20, 20’), de sorte que ladite couche active (31) soit confinée dans l’au moins une ouverture (20, 20’) et ne s’étende pas en dehors de ladite au moins une ouverture. - A formation of the active layer (31) on said injection layer (30), within the at least one opening (20, 20 '), so that said active layer (31) is confined in the at least one opening (20, 20 ') and does not extend outside said at least one opening.
11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le substrat (1) comprend une couche de nucléation (1a) dont une face forme la première face du substrat, de sorte que la couche (30) d’injection du premier type de porteurs est formée au sein de l’au moins une ouverture (20, 20’) en prenant appui sur ladite couche de nucléation (1a), ladite couche de nucléation (1a) étant en un matériau différent du matériau de la couche (30) d’injection du premier type de porteurs. 11. Method according to the preceding claim, wherein the substrate (1) comprises a nucleation layer (1a), one face of which forms the first face of the substrate, so that the injection layer (30) of the first type of carriers is formed within the at least one opening (20, 20 ') bearing on said nucleation layer (1a), said nucleation layer (1a) being made of a material different from the material of the layer (30) of injection of the first type of carriers.
12. Procédé selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel les formations de la couche (30) d’injection et de la couche active (31) sont effectuées par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) selon la direction longitudinale (z) dans l’au moins une ouverture (20, 20’). 12. Method according to any one of the two preceding claims, in which the formations of the injection layer (30) and of the active layer (31) are carried out by vapor phase epitaxy with organometallic precursors (MOVPE) in the direction longitudinal (z) in the at least one opening (20, 20 ').
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel le masque de croissance (2) comprend au moins une première ouverture (20) et une deuxième ouverture (20’) présentant respectivement une première surface et une deuxième surface, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), différentes entre elles, et dans lequel la formation de la couche active (31) comprend une formation d’une première couche active (31) au sein de la première ouverture (20) et simultanément, une formation d’une deuxième
couche active (31) au sein de la deuxième ouverture (20’) de sorte que lesdites première et deuxième couches actives (31) présentent des épaisseurs, prises selon la direction longitudinale (z), différentes entre elles. 13. Method according to any one of claims 10 to 12, wherein the growth mask (2) comprises at least a first opening (20) and a second opening (20 ') respectively having a first surface and a second surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), different from each other, and in which the formation of the active layer (31) comprises a formation of a first active layer (31) within the first opening (20) and simultaneously, a formation of a second active layer (31) within the second opening (20 ') so that said first and second active layers (31) have thicknesses, taken in the longitudinal direction (z), which are different from one another.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel le masque de croissance (2) comprend une pluralité d’ouvertures (20, 20’) et dans lequel les ouvertures présentant des surfaces, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), sensiblement égales entre elles sont séparées deux à deux par une distance de séparation ds choisie de sorte à ce que lesdites ouvertures forment une cavité résonnante dans un plan transverse à la direction longitudinale (z). 14. A method according to any one of claims 10 to 13, wherein the growth mask (2) comprises a plurality of openings (20, 20 ') and wherein the openings having surfaces taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), substantially equal to each other, are separated in pairs by a separation distance ds chosen so that said openings form a resonant cavity in a plane transverse to the longitudinal direction (z).
15. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la distance de séparation ds est comprise entre 50 nm et 700 nm. 15. The method of the preceding claim, wherein the separation distance ds is between 50 nm and 700 nm.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 15, dans lequel la formation du masque de croissance (2) comprend : 16. A method according to any one of claims 10 to 15, wherein the formation of the growth mask (2) comprises:
- Un dépôt d’une couche (1’) en un matériau semiconducteur sur la première face du substrat (1 ), - A deposition of a layer (1 ') of a semiconductor material on the first face of the substrate (1),
- Une gravure de la couche (1’) en un matériau semiconducteur, depuis une face supérieure de ladite couche (1’) en un matériau semiconducteur jusqu’à la première face du substrat (1), de sorte à former l’au moins une ouverture (20, 20’) exposant la première face du substrat (1), - Etching of the layer (1 ') of a semiconductor material, from an upper face of said layer (1') of a semiconductor material to the first face of the substrate (1), so as to form the at least an opening (20, 20 ') exposing the first face of the substrate (1),
- Une passivation au moins au niveau de la face supérieure de la couche (1’) en un matériau semiconducteur et d’une paroi de l’au moins une ouverture (20, 20’). - Passivation at least at the level of the upper face of the layer (1 ’) of a semiconductor material and of a wall of at least one opening (20, 20’).
17. Procédé selon la revendication précédente comprenant, avant la passivation, une formation d’une couche réflectrice au moins en partie sur la paroi de l’au moins une ouverture. 17. The method of the preceding claim comprising, before passivation, forming a reflective layer at least in part on the wall of the at least one opening.
18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 17 comprenant, après formation de la couche active (31) : 18. A method according to any one of claims 10 to 17 comprising, after formation of the active layer (31):
- Une formation d’une couche (32) de blocage d’électrons sur la couche active (31),
- Une formation d’une couche (33) d’injection d’un deuxième type de porteurs sur la couche (32) de blocage d’électrons,- Formation of an electron blocking layer (32) on the active layer (31), - Formation of a layer (33) for injecting a second type of carrier on the layer (32) for blocking electrons,
- Une formation de contacts (40) métalliques sur ladite couche (33) d’injection du deuxième type de porteurs, - Une fourniture d’un deuxième substrat (11 ), - A formation of metal contacts (40) on said injection layer (33) of the second type of carrier, - A supply of a second substrate (11),
- Un assemblage dudit deuxième substrat (11) au niveau des contacts métalliques (40), - An assembly of said second substrate (11) at the level of the metal contacts (40),
- Un retrait du substrat (1 ), - A removal of the substrate (1),
- Une formation de contacts (60) électriques transparents au niveau de la couche (30) d’injection du premier type de porteurs. - A formation of transparent electrical contacts (60) at the level of the injection layer (30) of the first type of carriers.
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 18 dans lequel le masque de croissance (2) comprend une pluralité d’ouvertures (20, 20’) réparties selon des premier, deuxième et troisième sous-ensembles (SP1, SP2, SP3) comprenant respectivement des ouvertures présentant des première, deuxième et troisième surfaces moyennes, prises dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), différentes entre elles. 19. Method according to any one of claims 10 to 18 wherein the growth mask (2) comprises a plurality of openings (20, 20 ') distributed according to first, second and third subsets (SP1, SP2, SP3) respectively comprising openings having first, second and third average surfaces, taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), different from each other.
20. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les première, deuxième et troisième surfaces moyennes sont choisies de manière à former respectivement des premier, deuxième et troisième sous-ensembles (SP1, SP2, SP3) comprenant respectivement des couches actives (31) présentant des première, deuxième et troisième épaisseurs, prises selon la direction longitudinale (z), différentes entre elles, lesdits sous-ensembles de couches actives (31) étant configurés pour émettre des rayonnements lumineux présentant respectivement des première, deuxième et troisième longueurs d’onde différentes entre elles. 20. Method according to the preceding claim, wherein the first, second and third average surfaces are chosen so as to form respectively first, second and third subsets (SP1, SP2, SP3) respectively comprising active layers (31) having first, second and third thicknesses, taken in the longitudinal direction (z), different from one another, said subsets of active layers (31) being configured to emit light radiations having respectively first, second and third wavelengths different from each other.
21. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 20, dans lequel le masque de croissance comprend une pluralité d’ouvertures (20, 20’) et dans lequel la formation de la couche (30) d’injection du premier type de porteurs se fait simultanément au sein de toutes les ouvertures de sorte que l’épaisseur de ladite couche d’injection varie en fonction de la surface, prise dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), des ouvertures, et dans lequel la formation de la couche active (31) se fait simultanément au sein de
toutes les ouvertures de sorte que l’épaisseur de ladite couche active varie en fonction de la surface, prise dans un plan transverse à la direction longitudinale (z), des ouvertures. 21. A method according to any one of claims 10 to 20, wherein the growth mask comprises a plurality of openings (20, 20 ') and wherein the formation of the injection layer (30) of the first type of load-bearing occurs simultaneously within all the openings so that the thickness of said injection layer varies as a function of the surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), of the openings, and in which the formation of the active layer (31) is carried out simultaneously within all the openings so that the thickness of said active layer varies as a function of the surface, taken in a plane transverse to the longitudinal direction (z), of the openings.
22. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 21 dans lequel la couche (30) d’injection du premier type de porteurs est à base de GaN, et la couche active (31) est à base d’InGaN.
22. A method according to any one of claims 10 to 21 wherein the injection layer (30) of the first type of carriers is based on GaN, and the active layer (31) is based on InGaN.
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