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FR3093862A1 - Structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p à base d’InGaN - Google Patents

Structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p à base d’InGaN Download PDF

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Abstract

L’invention porte sur une structure semi-conductrice optoélectronique (SC) comprenant une couche active (6) à base d’InGaN disposée entre une couche d'injection de type n (5) et une couche d'injection de type p (7), la couche d'injection de type p (7) comprenant une première couche d’InGaN (7a) en contact avec la couche active et, disposée sur la première couche (7a), une deuxième couche (7b) présentant une partie superficielle en GaN. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

Structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p à base d’InGaN
La présente invention concerne une structure semi-conductrice optoélectronique, comme par exemple une diode électroluminescente (LED), une cellule solaire ou une diode laser. Elle concerne plus particulièrement une structure semi-conductrice optoélectronique dont la couche d'injection de type P est en InGaN.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Une structure semi-conductrice optoélectronique est généralement formée d'un empilement de couches semi-conductrices cristallines, et notamment d'une couche active disposée entre une couche d'injection de type n et d'une couche d'injection de type p. Dans le cas d'une structure de LED, la couche active émettrice de lumière peut être constituée d'une alternance de couches barrières et de couches de puits quantiques. Pour permettre une circulation homogène et dense du courant à travers la structure, les couches d'injection doivent être suffisamment épaisses, par exemple bien supérieure à 200 nm pour la couche de type n.
Dans les structures formées à base d’InGaN, la teneur en indium d'une couche de puits quantiques peut être de l'ordre de 10 % pour former une diode émettant dans le bleu, supérieure à environ 20 % lorsque la diode émet dans le vert, et supérieure à environ 40 % pour une diode émettant dans le rouge. Les couches barrières comprennent une teneur en indium inférieure à celle des couches de puits quantiques.
Plus la teneur en indium est importante, plus le paramètre de maille naturel (c'est-à-dire celui d'une couche qui serait parfaitement relaxée) de la couche de puits quantique est important. Dit autrement, plus la teneur en indium est importante plus la couche de puits quantique est mise en contrainte compressive lorsqu'elle est formée sur un support de croissance présentant un paramètre de maille déterminé.
Un excès de contraintes dans l’empilement formant une structure optoélectronique peut conduire à former une structure défectueuse. Cette contrainte peut notamment être à l'origine de la formation de dislocations, de fissures ou de défauts pyramidaux (désigné « V-pits » dans la littérature anglo-saxonne de ce domaine) se formant à la surface des films de GaN ou d’InGaN qui composent la structure. Ces défauts détériorent les performances fonctionnelles de la structure optoélectronique.
Pour être moins sensible à ce problème, on connaît des documents EP215852 ou EP215856 des procédés de fabrication visant à former collectivement des structures semi-conductrices sur des îlots superficiels d’InGaN d’un support de croissance. Ces îlots peuvent présenter par exemple une concentration d'indium compris entre 5% et 7 % ou plus, et sont aux moins partiellement relaxés.
On cherche à faire croître, sur ce support de croissance, la couche d'injection de type n en InGaN pour qu’elle soit le plus possible en accord de maille avec le matériau formant les îlots superficiels de croissance. On réduit ainsi les contraintes dans la couche active de la structure semi-conductrice qui est formée sur le support, et favorise l'incorporation d'indium dans la couche active et, plus généralement, améliore l'efficacité du dispositif optoélectronique.
La formation d'une couche d'injection de type p dans une telle structure semi-conductrice optoélectronique est toutefois problématique, notamment lorsque l'on vise des longueurs d'onde longues (dans le vert ou dans le rouge) imposant un fort taux d'indium dans les couches de puits quantiques.
Lorsque cette couche d'injection de type p est constituée de GaN, la différence de paramètres de maille avec la couche active en InGaN sur laquelle elle repose impose une contrainte importante à la couche d’injection et peut y faire naitre des fissures.
Lorsque cette couche d'injection de type p est constituée d’InGaN, celle-ci peut présenter des défauts traversants pyramidaux. L'épaisseur critique d’un film d'InGaN dans lequel se développe ce type de défaut décroît très rapidement avec la concentration en indium. Elle est d'environ 150 nm pour des concentrations inférieures ou égale à 10 % et d’à peine 50 nm pour 15 % l'indium.
Lorsqu'on réalise, au cours de la fabrication d'une structure semi-conductrice, un traitement humide à l’aide d’un agent liquide (par exemple lorsque l'on traite au KOH ou au BOE de telles structures pour désoxyder les surfaces de la couche d'injection de type p afin de préparer la formation des contacts électriques métalliques), les fissures ou les défauts pyramidaux de la couche d'injection forment des canaux de diffusion, à l’intérieur de la structure, pour les agents liquides de traitement. Cela conduit à détériorer la structure, et notamment la qualité cristalline des couches qui la composent.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à résoudre au moins en partie ce problème. Elle vise plus particulièrement à former une structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p en InGaN dont les propriétés cristallines puissent être préservées, même lorsqu’on lui applique un traitement humide mettant en œuvre un agent liquide qui est susceptible de l’endommager.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, l’objet de l’invention propose une structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche active à base d’InGaN disposée entre une couche d'injection de type n et une couche d'injection de type p, la couche d'injection de type p comprenant une première couche d’InGaN en contact avec la couche active et, disposée sur la première couche, une deuxième couche présentant une partie superficielle en GaN.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • la partie superficielle en GaN présente une épaisseur inférieure à 50nm ;
  • la deuxième couche est constituée de GaN ;
  • la deuxième couche est constituée d'une couche d’InGaN dont la composition en indium décroit en direction de la partie superficielle d'une valeur initiale à zéro ;
  • la couche d’injection de type p comprend, sur et en contact avec la partie superficielle de GaN, une couche complémentaire d’InGaN.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence à la figure annexée qui représente une structure semi-conductrice optoélectronique conforme à la présente invention, disposée sur un support de croissance.
La figure 1 représente une pluralité de structures semi-conductrices optoélectroniques SC, ici des LEDs, disposées sur un support de croissance 1.
La structure SC est formée d'une couche d'injection de type n 5, d'une couche d'injection de type p 7, et disposée entre ces deux couches, d'une couche active de LED 6.
Le support de croissance 1 est un support « à îlot » dont on pourra trouver une description détaillée dans les documents cités dans la partie introductive à cette demande. Il comporte donc un substrat de base 2, par exemple en saphir, une couche intermédiaire 3 formée d'un matériau ou d’une pluralité de matériaux diélectriques, tel que du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium, et d'une pluralité d’îlots de croissances 4 aux moins partiellement relaxés.
D'une manière générale, les îlots de croissance 4 sont constitués d'un matériau dont la formule générale est AlInGaN et ils présentent un paramètre de maille correspondant au paramètre de maille naturel d'une couche d’InGaN, présentant une proportion d'indium compris entre 5% et 40 %.
Dans l'exemple de la figure 1, les îlots de croissance 4 sont constitués d'InGaN, avec une proportion d'indium de 15 %, et sont relaxés à 90 %.
Sur les îlots de croissance 4 on a formé une pluralité de structures semi-conductrices SC, par des techniques conventionnelles d’épitaxie. Il peut s'agir d’un dépôt métallo organique en phase vapeur (MOCVD selon l'acronyme de la terminologie anglo-saxonne) ou d’un dépôt par jets moléculaires (MBE).
Une structure SC est ici formée d'une couche d'injection 5 de type n en InGaN, par exemple dopée au silicium dans une concentration de l’ordre de 10^18 à 10^19 cm^-3. Sa concentration en indium est sensiblement égale à celle du matériau constituant les îlots 4, environ 13,5%, de manière à faire concorder leurs paramètres de maille ou pour placer la couche d'injection 5 en faible tension. Cette couche présente une épaisseur typiquement comprise entre 100 et 400 nm ou plus.
Dans une alternative à l'exemple représenté sur la figure 1, la couche d'injection de type n 5 peut être réalisée sous la forme d'un super réseau. Il peut ainsi s'agir d’une pluralité de couches élémentaires d’AlInGaN très fines, d'épaisseur inférieure à quelques dizaines de nanomètres, par exemple 30 nm, et de natures différentes. Ainsi, la couche d’injection 5 peut être formée de la répétition d’une structure périodique comprenant une première couche élémentaire d’InGaN et d’une seconde couche élémentaire de GaN, d’AlN, ou d’AlGaN. Les couches élémentaires présentent toutes une épaisseur inférieure à leur épaisseur critique de relaxation.
On choisira les proportions d’aluminium, d’indium et de gallium et les épaisseurs de chacune des couches composant le super réseau, pour que la couche de composition homogène correspondante présente un paramètre de maille naturel, sensiblement équivalente au paramètre de maille des îlots de croissance 4. Comme dans le cas d’une couche d’injection 5 homogène, on limite de la sorte les contraintes en tension ou en compression qui s'accumulent dans la structure semi-conductrice au cours de sa croissance.
Revenant à la description de la figure 1, la structure semi-conductrice optoélectronique SC comprend également, sur la couche d'injection de type n 5, une couche active 6. Cette couche est formée d'une pluralité d’alternances de couches barrière - couches de puits quantiques en InGaN. Les couches barrières présentent une concentration d’indium similaire à celle de la couche injection de type n 5, ici environ 13,5%. Les couches de puits quantiques en InGaN présentent une concentration d'indium choisie selon la longueur d'onde émission désirée. Dans l'exemple représenté, cette concentration est de 25 %.
Sur la couche active 6, la structure semi-conductrice SC comporte une couche d'injection de type p 7.
Cette couche d'injection 7 est composée d'une première couche 7a constituée d’InGaN dopée p, par exemple incorporant une concentration de l’ordre de 10^18 cm^-3 de Mg. Cette première couche 7a présente une épaisseur typiquement comprise entre 50 et 350 nm. On cherche à nouveau à accorder le paramètre de maille de cette couche à celui de l'empilement sur lequel elle est formée. D'une manière très générale, la concentration en indium de cette première couche 7a correspond à celle de la couche d'injection de type n 5, ici de l'ordre de 13,5 %. Comme évoqué en introduction, cette couche d'injection de type p 7 peut présenter des défauts pyramidaux, au moins partiellement traversants.
Pour limiter les effets néfastes de ces défauts, on prévoit de former sur la première couche 7a une deuxième couche 7b en recouvrement.
Cette deuxième couche 7b comprend au moins une partie superficielle GaN, de manière à éviter l'apparition de défauts superficiels pyramidaux qui se développent dans l’InGaN, et susceptibles de former des canaux traversants pour un agent liquide de traitement.
Selon une première approche, la deuxième couche 7b est formée d'une couche de GaN de type p. Pour éviter toute fissuration de cette couche sous l'effet de sa contrainte en tension, elle présente une épaisseur très réduite, par exemple inférieure à 50 nm ou à 30 nm voire même à 10 nm. Elle peut être dopée en Mg dans une concentration comprise par exemple entre 10^19 et 10^22 cm^-3.
Selon une seconde approche, la deuxième couche 7b est formée d'une couche dopée p dont la composition est de formule générale InGaN, et qui présente une composition en indium généralement décroissante d'une valeur initiale, du côté de la première couche 7a, vers une valeur nulle de son côté opposé. De la sorte, on forme une deuxième couche 7b présentant une partie superficielle en GaN. Et on obtient le même effet du recouvrement que celui décrit dans la première approche. Dans cette seconde approche également, la deuxième couche 7b est dopée, par exemple en Mg, dans une concentration comprise entre 10^19 et 10^22 cm^-3. Elle peut présenter une épaisseur inférieure à 100nm, pour éviter l’apparition de fissures.
La partie superficielle en GaN de cette deuxième couche 7b doit être relativement fine, quelques dizaines de nm, pour éviter l'apparition de fissures.
Quelle que soit l'approche retenue pour former la deuxième couche 7b, on peut prévoir de former une couche complémentaire 7c d’InGaN, dont la composition en indium peut être librement choisie, de préférence similaire à celle de la première couche 7a. Cette couche complémentaire peut présenter une épaisseur jusque 100 nm. La couche complémentaire 7c permet de compenser la tension qui se développe dans la partie superficielle de GaN de la deuxième couche 7b. Elle peut éventuellement comporter quelques défauts traversants, étant entendu que la structure SC dans son ensemble est protégée d'un éventuel agent liquide de traitement par la deuxième couche 7b.
Une structure semi-conductrice optoélectronique SC conforme à la présente description comprend une couche d’injection dopée p d’InGaN comportant une couche de protection. Cette couche de protection ne présente pas de défauts structurels de type fissures ou pyramidaux. On peut donc appliquer, à l’issue de la formation de cette structure, des traitements tout à fait conventionnels, par exemple à base d’agent liquide qu’il n'est pas nécessaire de remplacer pour prendre en compte l'existence de défauts traversants.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Bien que l’on ait indiqué que le substrat de croissance soit un substrat à îlots, il pourrait s’agir d’un substrat de tout autre nature qui permette la croissance d’une structure semi-conductrice optoélectronique à base d’InGaN.

Claims (5)

  1. Structure semi-conductrice optoélectronique (SC) comprenant une couche active (5) à base d’InGaN disposée entre une couche d'injection de type n (6) et une couche d'injection de type p (7), la couche d'injection de type p (7) comprenant une première couche d’InGaN (7a) en contact avec la couche active (5) et, disposée sur la première couche (7a), une deuxième couche (7b) présentant une partie superficielle en GaN.
  2. Structure semi-conductrice (SC) selon la revendication précédente dans laquelle la partie superficielle en GaN présente une épaisseur inférieure à 50nm.
  3. Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la deuxième couche (7b) est constituée de GaN.
  4. Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications 1 à 2, dans laquelle la deuxième couche (7b) est constituée d'une couche d’InGaN dont la composition en indium décroit en direction de la partie superficielle d'une valeur initiale à zéro.
  5. Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la couche d’injection de type p (7) comprend, sur et en contact avec la partie superficielle de GaN, une couche complémentaire d’InGaN.
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