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FR3109469A1 - Procédé de fabrication d’un dispositif émetteur de rayonnement - Google Patents

Procédé de fabrication d’un dispositif émetteur de rayonnement Download PDF

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FR3109469A1
FR3109469A1 FR2003779A FR2003779A FR3109469A1 FR 3109469 A1 FR3109469 A1 FR 3109469A1 FR 2003779 A FR2003779 A FR 2003779A FR 2003779 A FR2003779 A FR 2003779A FR 3109469 A1 FR3109469 A1 FR 3109469A1
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light
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radiation
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Julien Pernot
Gwenole JACOPIN
Bruno Daudin
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Abstract

Procédé de fabrication d’un dispositif émetteur de rayonnement L’invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif émetteur (10) comportant des étapes de : - fourniture d’un substrat (70) réalisé en un matériau semi-conducteur présentant une première face (85) délimitant le substrat (70) selon une direction (N) normale à la première face (85), - implantation, à travers la première face (85), d’atomes aptes à former une portion fragilisée dans le substrat, le substrat (70) comportant en outre une portion de surface (92) et une portion interne (95), la portion fragilisée (90) séparant la portion de surface (92) de la portion interne (95) selon la direction normale (N), - formation, sur la première face (85), d’une diode électroluminescente (20), - fixation d’une face (150) de la diode (20) à une deuxième face (155) d’un support (15), et - rupture de la portion fragilisée (90) pour séparer la portion de surface (92) de la portion interne (95). Figure pour l'abrégé : 1

Description

Procédé de fabrication d’un dispositif émetteur de rayonnement
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif émetteur.
De nombreux dispositifs émetteurs comportent des diodes électroluminescentes configurées pour émettre un rayonnement lorsqu’elles sont traversées par un courant électrique. De telles diodes comportent une portion dopée p, une portion dopée n et fréquemment une portion intermédiaire interposée entre les portions n et p et destinée à émettre le rayonnement. De manière générale, l’une des portions n et p est solidaire d’un substrat et l’autre portion p ou n est fréquemment recouverte d’un matériau transparent au rayonnement émis et électriquement conducteur, servant d’électrode et/ou de couche de protection de la diode électroluminescente contre les agressions mécaniques ou chimiques et permettant l’extraction du rayonnement hors de la diode électroluminescente.
La diode électroluminescente est en général obtenue par dépôt successif sur le substrat des différentes couches de matériau formant les différentes portions de la diode, la couche de matériau transparent et conducteur étant ensuite déposée sur la diode électroluminescente de manière à former un film continu couvrant au moins partiellement la diode. De telles techniques permettent notamment d’obtenir des films de très faible épaisseur, nécessitant peu de matériau, et le cas échéant de structurer le film par des méthodes de photolithographie par exemple, pour obtenir des électrodes permettant d’adresser des zones individuelles de la diode.
Un exemple très utilisé de matériau conducteur et transparent est l’oxyde d’indium-étain (en Anglais « Indium-Tin Oxide », ou ITO)
Toutefois, il est à noter que les matériaux conducteurs et susceptibles d’être déposés en films minces sur des diodes électroluminescentes ne sont pas optimisés. En particulier, dans certaines gammes de longueurs d’onde telles que l’ultra-violet, les matériaux connus tels que l’ITO ne sont pas ou peu transparents au rayonnement. Il en résulte un rendement d’émission dégradé de l’émetteur, puisqu’une partie du rayonnement émis est absorbée par la couche d’ITO.
Dans d’autres cas, une absorption non négligeable du rayonnement peut avoir lieu au niveau des joints de grains entre les différents grains composant le film, ces joints de grains diminuant également la conductivité électrique et thermique du matériau. Or, le dépôt des matériaux connus sur une diode électroluminescente tend à déboucher sur une couche non monocristalline et présentant donc de nombreux joints de grains, diminuant donc le rendement du dispositif.
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d’un dispositif émetteur comportant une diode électroluminescente, qui présente un meilleur rendement que les dispositifs émetteurs de l’état de la technique.
A cet effet, il est proposé un procédé de fabrication d’un dispositif émetteur comportant une diode électroluminescente configurée pour émettre un rayonnement, la diode électroluminescente comportant une première portion, une deuxième portion et une portion d’émission, la première portion étant réalisée en un premier matériau semi-conducteur présentant un premier type de dopage, la deuxième portion étant réalisée en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième type de dopage différent du premier type de dopage, la portion d’émission étant interposée entre la première portion et la deuxième portion, la portion d’émission étant réalisée en un matériau d’émission semi-conducteur configuré pour émettre le rayonnement lorsque la diode électroluminescente est traversée par un courant électrique, le procédé comportant des étapes de :
- fourniture d’un substrat réalisé au moins partiellement en un matériau de substrat semi-conducteur présentant le premier type de dopage, le matériau de substrat étant transparent au rayonnement, le substrat présentant une première face délimitant le substrat selon une direction normale à la première face,
- implantation, à travers la première face, d’un ensemble d’atomes apte à former une portion fragilisée dans le matériau de substrat, la portion fragilisée s’étendant parallèlement à la première face, le substrat comportant en outre une portion de surface et une portion interne, la portion fragilisée séparant la portion de surface de la portion interne selon la direction normale,
- formation, sur la première face, de la diode électroluminescente par dépôt au moins du premier matériau, du matériau d’émission et du deuxième matériau, la première portion étant interposée selon la direction normale entre la portion d’émission et la première face, la portion de surface du substrat étant solidaire de la première portion, la diode électroluminescente étant délimitée selon la direction normale par la première face et par une face d’extrémité de la deuxième portion,
- fixation de la face d’extrémité à une deuxième face d’un support, la deuxième portion étant interposée selon la direction normale entre le support et la portion d’émission, et
- rupture de la portion fragilisée pour séparer la portion de surface du matériau de substrat de la portion interne du matériau de substrat.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’ensemble d’atomes implanté dans le substrat pour former une portion fragilisée comprend des atomes d’hydrogène.
- le matériau de substrat est le diamant.
- le matériau de substrat est le nitrure d’aluminium.
- le rayonnement est un rayonnement ultra-violet, notamment un rayonnement présentant une longueur d’onde moyenne comprise entre 250 nanomètres et 280 nanomètres.
- au moins une des propriétés suivantes est vérifiée :
- le premier matériau, le deuxième matériau et le troisième matériau sont des nitrures d’élément III, et/ou
- le matériau de substrat est monocristallin.
- le premier type de dopage est le dopage de type p.
- le procédé comporte, en outre, une étape de fourniture d’un circuit d’alimentation de la diode électroluminescente et une étape de connexion de la portion de surface au circuit d’alimentation.
- la diode électroluminescente comporte un ensemble de nanofils s’étendant chacun selon la direction normale, chaque nanofil comportant une base réalisée en le premier matériau, une portion intermédiaire réalisée en le matériau d’émission et une portion d’extrémité réalisée en le deuxième matériau, la première portion étant formée par la réunion des bases des nanofils, la portion d’émission étant formée par la réunion des portions intermédiaires, la deuxième portion étant formée par la réunion des portions d’extrémité.
- le procédé comporte l’une des étapes suivantes :
- une étape de coalescence des portions d’extrémité des nanofils pour former la face d’extrémité, et/ou
- une étape d’injection d’un matériau de remplissage transparent au rayonnement entre les nanofils antérieurement à l’étape de fixation.
- le support comporte une portion métallique délimitée par la deuxième face, la portion métallique étant fixée à la diode électroluminescente au cours de l’étape de fixation.
Il est également proposé un dispositif émetteur susceptible d’être obtenu par un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de dispositif émetteur selon l’invention,
la figure 2 est un ordinogramme des étapes d’un exemple de procédé de fabrication d’un dispositif émetteur de la figure 1,
la figure 3 est une représentation schématique de la structure obtenue lors d’une étape du procédé de la figure 2,
la figure 4 est une représentation schématique de la structure obtenue lors d’une autre étape du procédé de la figure 2, et
la figure 5 est une représentation schématique de la structure obtenue lors d’une encore autre étape du procédé de la figure 2.
Un exemple de dispositif émetteur 10 est représenté sur la figure 1.
Le dispositif émetteur 10 est configuré pour émettre un rayonnement.
Chaque rayonnement comprend un ensemble d’ondes électromagnétiques.
Une longueur d’onde est définie pour chaque onde électromagnétique.
Chaque ensemble correspond à une plage de longueurs d’onde. La plage de longueurs d’onde est le groupe formé par l’ensemble des longueurs d’onde de l’ensemble d’ondes électromagnétiques.
Une longueur d’onde moyenne est définie pour la plage de longueurs d’onde.
Le rayonnement est, par exemple, un rayonnement ultraviolet. Un rayonnement présentant une longueur d’onde moyenne comprise entre 10 nanomètres (nm) et 400 nm est un exemple de rayonnement ultraviolet.
Par exemple, le rayonnement présente une longueur d’onde moyenne comprise entre 250 nm et 280 nm, par exemple égale à 265 nm.
En variante, le rayonnement est, par exemple, un rayonnement visible. Un rayonnement dont la longueur d’onde moyenne est comprise entre 400 nm et 800 nm est un exemple de lumière visible.
Le dispositif émetteur 10 comporte un support 15, une diode électroluminescente 20, une couche fenêtre 25 et un circuit de commande.
Il est défini une direction d’empilement D pour le dispositif émetteur 10.
Le support 15, la diode électroluminescente 20 et la couche fenêtre 25 sont superposés dans cet ordre selon la direction d’empilement D.
Le support 15 est configuré pour supporter la diode électroluminescente 20.
Le support 15 comporte, par exemple, une base 30 et une couche de réflexion 35.
La base 30 est réalisée, par exemple, en un matériau métallique tel que le cuivre.
La base 30 est, par exemple, une plaque s’étendant dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement D. Toutefois, il est à noter que la forme de la base 30 est susceptible de varier.
La couche de réflexion 35 est interposée entre la base 30 et la diode électroluminescente 20 selon la direction d’empilement D.
La couche de réflexion 35 est configurée pour réfléchir le rayonnement.
Optionnellement, la couche de réflexion 35 est réalisée en un matériau électriquement conducteur. Selon un mode de réalisation, la couche de réflexion 35 est électriquement connectée au circuit de commande.
La couche de réflexion 35 est réalisée, par exemple, en un matériau métallique. En particulier, lorsque le rayonnement est un rayonnement ultraviolet, la couche de réflexion 35 est réalisée en aluminium.
Il est à noter que dans certains cas la couche de réflexion 35 est susceptible d’être remplacée par une portion métallique du support 15 ne formant pas une couche distincte de la base 30 mais électriquement conductrice et/ou configurée pour réfléchir au moins en partie le rayonnement. Dans ce cas, le support 15 est mono couche.
Chaque diode électroluminescente 20 est configurée pour émettre le rayonnement.
Chaque diode électroluminescente 20 est une structure semi-conductrice comprenant plusieurs zones semi-conductrices formant une jonction P-N ou P-I-N et configurée pour émettre de la lumière lorsqu’un courant électrique circule à travers les différentes zones semi-conductrices.
En particulier, chaque diode électroluminescente 20 comporte une première portion 40, une portion d’émission 45 et une deuxième portion 50.
La première portion 40, la portion d’émission 45 et la deuxième portion 50 sont superposées dans cet ordre selon la direction d’empilement D. En particulier, la portion d’émission 45 est interposée entre la première portion 40 et la deuxième portion 50.
La diode électroluminescente est, par exemple, formée par une ou un ensemble de structures tridimensionnelles.
Une structure tridimensionnelle est une structure qui s’étend le long d’une direction principale. La structure tridimensionnelle présente une longueur mesurée le long de la direction principale. La structure tridimensionnelle présente également une dimension latérale maximale mesurée le long d’une direction latérale perpendiculaire à la direction principale, la direction latérale étant la direction perpendiculaire à la direction principale le long de laquelle la dimension de la structure est la plus grande.
La dimension latérale maximale est, par exemple, inférieure ou égale à 10 micromètres (µm), et la longueur est supérieure ou égale à la dimension latérale maximale. La dimension latérale maximale est avantageusement inférieure ou égale à 2,5 µm.
La dimension latérale maximale est, notamment, supérieure ou égale à 10 nm.
Dans des modes de réalisation spécifiques, la longueur est supérieure ou égale à deux fois la dimension latérale maximale, par exemple elle est supérieure ou égale à cinq fois la dimension latérale maximale.
La direction principale est, par exemple, la direction d’empilement D. Dans ce cas, la longueur de la structure tridimensionnelle est appelée « hauteur » et la dimension maximale de la structure tridimensionnelle, dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement D, est inférieure ou égale à 10 µm.
La dimension maximale de la structure tridimensionnelle, dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement D, est souvent appelée « diamètre » quelle que soit la forme de la section transversale de la structure tridimensionnelle.
Par exemple, chaque structure tridimensionnelle est un microfil. Un microfil est une structure tridimensionnelle cylindrique.
Dans un mode de réalisation spécifique, le microfil est un cylindre s’étendant le long de la direction d’empilement D. Par exemple, le microfil est un cylindre à base circulaire. Dans ce cas, le diamètre de la base du cylindre est inférieur ou égal à la moitié de la longueur du microfil.
Un microfil dont la dimension latérale maximale est inférieure à 1 µm est appelé un « nanofil ».
Une pyramide s’étendant le long de la direction d’empilement D à partir du substrat 12 constitue un autre exemple de structure tridimensionnelle.
Un cône s’étendant le long de la direction d’empilement D constitue un autre exemple de structure tridimensionnelle.
Un cône tronqué ou une pyramide tronquée s’étendant le long de la direction d’empilement D constitue encore un autre exemple de structure tridimensionnelle.
Il est à noter que selon une variante envisageable, la diode électroluminescente est une diode planaire formée par l’empilement, selon la direction d’empilement D, d’au moins une couche de matériau semi-conducteur formant la première portion 40, d’au moins une couche de matériau semi-conducteur formant la portion d’émission 45 et d’au moins une ouche de matériau semi-conducteur formant la deuxième portion 50, chacune de ces couches s’étendant dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement D.
La première portion 40 est délimitée selon la direction d’empilement D par la portion d’émission 45 et la par couche fenêtre 25.
La première portion 40 est réalisée en un premier matériau semi-conducteur.
Un matériau semi-conducteur est un matériau présentant une valeur de bande interdite strictement supérieure à zéro et inférieure ou égale à 6,5 électrons-volts (eV).
L’expression « valeur de bande interdite » doit être comprise comme étant la valeur de la bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction du matériau.
La bande de valence est définie comme étant, parmi les bandes d’énergie qui sont autorisées pour les électrons dans le matériau, la bande qui présente l’énergie la plus élevée tout en étant complètement remplie à une température inférieure ou égale à 20 Kelvin (K).
Un premier niveau d’énergie est défini pour chaque bande de valence. Le premier niveau d’énergie est le niveau d’énergie le plus élevé de la bande de valence.
La bande de conduction est définie comme étant, parmi les bandes d’énergie qui sont autorisées pour les électrons dans le matériau, la bande qui présente l’énergie la plus faible tout en n’étant pas complètement remplie à une température inférieure ou égale à 20 K.
Un deuxième niveau d’énergie est défini pour chaque bande de conduction. Le deuxième niveau d’énergie est le niveau d’énergie le moins élevé de la bande de conduction.
Ainsi, chaque valeur de bande interdite est mesurée entre le premier niveau d’énergie et le deuxième niveau d’énergie du matériau.
Un semi-conducteur à bande interdite directe constitue un exemple de matériau semi-conducteur. Un matériau est considéré comme présentant une « bande interdite directe » lorsque le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent à une même valeur de quantité de mouvement de porteurs de charge. Un matériau est considéré comme présentant une « bande interdite indirecte » lorsque le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent à différentes valeurs de quantité de mouvement de porteurs de charge.
Chaque matériau semi-conducteur est susceptible d’être choisi, par exemple, parmi l’ensemble formé des semi-conducteurs III-V, notamment des nitrures d’éléments III, des semi-conducteurs II-VI, ou encore des semi-conducteurs IV-IV.
Les semi-conducteurs III-V comportent notamment InAs, GaAs, AlAs et leurs alliages, InP, GaP, AlP et leurs alliages, et les nitrures d’éléments III, qui sont AlN, GaN, InN et leurs alliages tels d’AlGaN ou encore InGaN.
Les semi-conducteurs II-VI comportent notamment CdTe, HgTe, CdSe, HgSe, et leurs alliages.
Les semi-conducteurs IV-IV comportent notamment le diamant, Si, Ge et leurs alliages.
Le premier matériau semi-conducteur est, par exemple, AlN ou AlGaN, notamment lorsque le rayonnement est un rayonnement ultraviolet.
En variante, le premier matériau semi-conducteur est, par exemple, GaN, ou encore un semi-conducteur III-V.
Le premier matériau présente un dopage d’un premier type.
Le premier type de dopage est choisi parmi le dopage de type p et le dopage de type n. Par exemple, le premier type de dopage est le dopage de type p.
Le dopage se définit comme la présence, dans un matériau, d’impuretés apportant des porteurs de charges libres. Les impuretés sont, par exemple, des atomes d’un élément qui n’est pas naturellement présent dans le matériau.
Lorsque les impuretés augmentent la densité volumique de trous dans le matériel, par rapport à du matériel non dopé, le dopage est de type p. Par exemple, une couche de nitrure de gallium, GaN, ou de nitrure de gallium et d’aluminium, AlGaN, est dopée p en ajoutant des atomes de magnésium (Mg).
Lorsque le premier matériau semi-conducteur est AlN, le dopage de type p est, par exemple, obtenu par l’ajout d’atomes d’indium In et de magnésium Mg.
Lorsque les impuretés augmentent la densité volumique d’électrons libres dans le matériau, par rapport au matériau non dopé, le dopage est de type n. Par exemple, une couche de nitrure de gallium, GaN, est dopée n en ajoutant des atomes de silicium (Si).
Une épaisseur de la première portion 40, mesurée selon la direction d’empilement D, est par exemple comprise entre 50 nm et 5 µm.
Optionnellement, la première portion 40 comporte une couche bloqueuse d’électrons dopée p et réalisée en un matériau semi-conducteur présentant une bande interdite strictement supérieure à la bande interdite du deuxième matériau. La couche bloqueuse d’électrons est, par exemple, réalisée en AlGaN. La couche bloqueuse d’électrons est, notamment, délimitée selon la direction d’empilement D par la portion d’émission 45.
La portion d’émission 45 est configurée pour émettre le rayonnement lorsqu’un courant électrique traverse la diode électroluminescente 20.
La portion d’émission 45 est réalisée en un matériau d’émission. Le matériau d’émission est un matériau semi-conducteur. En particulier, le matériau d’émission présente une valeur de bande interdite strictement inférieure à la valeur de bande interdite du premier matériau semi-conducteur. Par exemple, lorsque le premier matériau est AlN, le matériau semi-conducteur d’émission est AlGaN.
Optionnellement, la portion d’émission 45 comporte un puits quantique ou un ensemble de puits quantiques.
Un puits quantique est une structure dans laquelle un confinement quantique se produit, dans une direction, pour au moins un type de porteurs de charges. Les effets du confinement quantique se produisent lorsque la dimension de la structure le long de cette direction devient comparable à ou plus petite que la longueur d’onde de De Broglie des porteurs, lesquels sont généralement des électrons et/ou à des trous, conduisant à des niveaux d’énergie appelés « sous-bandes d’énergie ».
Dans un tel puits quantique, les porteurs ne peuvent présenter que des valeurs d’énergie discrètes mais sont généralement aptes à se déplacer à l’intérieur d’un plan perpendiculaire à la direction dans laquelle le confinement se produit. Les valeurs d’énergie disponibles pour les porteurs, également appelées « niveaux d’énergie », augmentent lorsque les dimensions du puits quantique diminuent le long de la direction dans laquelle le confinement se produit.
En mécanique quantique, la « longueur d’onde de De Broglie » est la longueur d’onde d’une particule lorsque la particule est considérée comme une onde. La longueur d’onde de De Broglie des électrons est également appelée « longueur d’onde électronique ». La longueur d’onde de De Broglie d’un porteur de charge dépend du matériau dont est constitué le puits quantique.
Une couche émettrice dont l’épaisseur est strictement inférieure au produit de la longueur d’onde électronique des électrons dans le matériau semi-conducteur dont la couche émettrice est constituée et de cinq est un exemple de puits quantique.
Un autre exemple de puits quantique est une couche émettrice dont l’épaisseur est strictement inférieure au produit de la longueur d’onde de De Broglie d’excitons dans le matériau semi-conducteur dont la couche émettrice est constituée et de cinq. Un exciton est une quasi-particule comprenant un électron et un trou.
En particulier, un puits quantique présente souvent une épaisseur comprise entre 1 nm et 200 nm.
Le ou les puits quantique(s) sont par exemple constitués par une couche de matériau d’émission interposée entre deux couches d’un matériau, par exemple du premier matériau semi-conducteur, présentant une valeur de bande interdite strictement supérieure à celle du matériau d’émission.
Par exemple, la portion d’émission 45 comporte une ou plusieurs couche(s) du matériau d’émission, notamment d’AlGaN, interposée(s) entre des couches d’AlN ou d’un AlGaN à plus forte teneur en aluminium que le matériau d’émission.
En variante, lorsque le rayonnement est un rayonnement visible, le matériau d’émission est InGaN, et la ou les couche(s) d’InGaN est (sont) interposée(s) entre des couches de GaN.
La portion d’émission 45 est, par exemple, non dopée. Toutefois, selon des variantes envisageables, la portion d’émission 45 est susceptible de présenter le premier ou le deuxième type de dopage.
Selon un mode de réalisation, le matériau d’émission composant le ou les puit(s) quantique(s) est non dopé, et le matériau composant les couches enserrant le matériau d’émission présente un dopage du premier ou du deuxième type.
La deuxième portion 50 est interposée entre la portion d’émission 45 et le support 15, notamment entre la portion d’émission 45 et la couche de réflexion 35.
La deuxième portion 50 est réalisée en un deuxième matériau semi-conducteur.
Le deuxième matériau semi-conducteur présente une valeur de bande interdite strictement supérieure à la valeur de bande interdite du matériau d’émission. Par exemple, le deuxième matériau semi-conducteur est identique, au type de dopage près, au premier matériau. En particulier, le deuxième matériau semi-conducteur est AlN. En variante, le deuxième matériau est AlGaN, ou encore GaN.
Le deuxième matériau semi-conducteur présente un deuxième type de dopage différent du premier type de dopage. Le deuxième type de dopage est choisi parmi le dopage de type n et le dopage de type p. Par exemple, le deuxième type de dopage est le dopage de type n.
La deuxième portion 50 présente une épaisseur, mesurée selon la direction d’empilement D, comprise par exemple entre 50 nm et 1 µm.
Lorsque la diode électroluminescente 20 comporte un ensemble de structures tridimensionnelles, la diode électroluminescente 20 est, par exemple, formée par la réunion d’un ensemble de diodes électroluminescentes élémentaires, chaque diode électroluminescente élémentaire comportant une structure tridimensionnelle dont une partie forme une partie de la première portion 40, une autre partie forme une partie de la portion d’émission 45 et une partie forme une partie de la deuxième portion 50.
Par exemple, chaque diode électroluminescente élémentaire est un nanofil comportant une portion primaire 55 (ou « base »), une portion intermédiaire 60 et une portion secondaire 65 (ou « portion d’extrémité »), superposées dans cet ordre selon la direction d’empilement D.
La portion primaire 55 est délimitée selon la direction d’empilement D par la couche fenêtre 25 et par la portion intermédiaire 60. La portion primaire 55 est réalisée en le premier matériau semi-conducteur.
La première portion 40 est formée par l’ensemble des portions primaires 55 des différentes diodes électroluminescentes élémentaires.
Chaque portion primaire 55 s’étend selon la direction d’empilement D.
Chaque portion primaire 55 est, par exemple, cylindrique. Il est entendu par « cylindrique » que chaque portion primaire 55 présente une section uniforme dans tout plan perpendiculaire à la direction d’empilement D. La section est, par exemple, circulaire, ou encore hexagonale.
Les portions primaires 55 sont, par exemple, séparées les unes des autres. En particulier, chaque portion primaire 55 est distante des autres portions primaires 55.
La portion intermédiaire 60 est délimitée selon la direction d’empilement D par la portion primaire 55 et la portion secondaire 65. La portion intermédiaire 60 est réalisée en le matériau semi-conducteur d’émission.
La portion d’émission 45 est formée par l’ensemble des portions intermédiaires 60 des différentes diodes électroluminescentes élémentaires.
Chaque portion intermédiaire 60 est, par exemple, cylindrique. La section de la portion intermédiaire 60 dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement D est, par exemple, circulaire, ou encore hexagonale.
Les portions intermédiaires 60 sont, par exemple, séparées les unes des autres. En particulier, chaque portion intermédiaire 60 est distante des autres portion intermédiaire 60.
La portion secondaire 65 est délimitée selon la direction d’empilement D par la portion intermédiaire 60 et par le support 15, notamment par la couche de réflexion 35. La portion secondaire 65 est réalisée en le deuxième matériau semi-conducteur.
La deuxième portion 50 est formée par l’ensemble des portions secondaires 65 des différentes diodes électroluminescentes élémentaires.
Chaque portion secondaire 65 est, par exemple, cylindrique. La section de la portion secondaire 65 dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement D est, par exemple, circulaire, ou encore hexagonale.
En variante, comme visible sur la figure 1, chaque portion secondaire 65 est conique ou pyramidale. En particulier, une dimension de la portion secondaire 65 dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement 65 augmente en s’éloignant de la portion intermédiaire 60. Notamment, les portions secondaires 65 des différentes diodes électroluminescentes élémentaires sont solidaires les unes des autres, et présentent une continuité de matière les unes aux autres.
La couche fenêtre 25 est prévue pour être traversée par le rayonnement. En outre, la couche fenêtre 25 est électriquement conductrice.
La couche fenêtre 25 est, notamment, monocristalline. En variante, la couche fenêtre est polycristalline ou nanocristalline, c’est-à-dire formée de cristaux multiples, chaque cristal présentant des dimensions nanométriques.
La couche fenêtre 25 est réalisée en un matériau semi-conducteur, appelé dans la suite matériau de substrat.
Le matériau de substrat est transparent au rayonnement. En particulier, le matériau de substrat présente une valeur de bande interdite strictement supérieure à la valeur de bande interdite du matériau d’émission. Optionnellement, le matériau de substrat présente une valeur de bande interdite strictement supérieure à la valeur de bande interdite du premier matériau.
Le matériau de substrat est, par exemple, le diamant. En variante, le matériau de substrat est l’AlN.
Le matériau de substrat présente un dopage du premier type.
Une résistivité du matériau de substrat est, par exemple, comprise entre 10-3Ohm - centimètre (Ω.cm) et 10-4Ω.cm.
La couche fenêtre 25 présente une épaisseur, mesurée selon la direction d’empilement D, comprise entre 10 nm et 1 µm.
La couche fenêtre 25 est, par exemple, électriquement connectée au circuit de commande.
Le circuit de commande est configuré pour générer un courant électrique traversant la diode électroluminescente 20. En particulier, le courant électrique traverse successivement la couche de réflexion 35, la diode électroluminescente 20 et la couche fenêtre 25.
Le courant électrique est propre à causer l’émission du rayonnement par la diode électroluminescente 20 lorsque le courant électrique traverse la diode électroluminescente 20.
Un procédé de fabrication du dispositif d’émission 10 va maintenant être décrit en référence à la figure 2, qui présente un ordinogramme des étapes de ce procédé.
Le procédé de fabrication comporte une étape 100 de fourniture, une étape 110 d’implantation, une étape 120 de formation, une étape 130 de fixation et une étape 140 de rupture.
Lors de l’étape de fourniture 100, un substrat 70 est fourni.
Le substrat 70 est notamment visible sur la figure 3.
Le substrat 70 est réalisé au moins partiellement en le matériau de substrat. En particulier, le substrat 70 comporte au moins une portion 75 réalisée en le matériau de substrat.
La portion 75 est, par exemple, une couche de matériau de substrat portée par une plaque 80 (ou « wafer ») servant de support à la couche.
Par exemple, la couche 75 de matériau de substrat est portée par une plaque 80 réalisée en le même matériau que le matériau de substrat, la plaque 80 se différenciant par le fait que le matériau composant la plaque 80 est non dopé ou présente un dopage moindre que le matériau de substrat. Notamment, la plaque 80 est réalisée en diamant non dopé ou faiblement dopé.
En variante, le substrat 70 est intégralement réalisé en le matériau de substrat. Dans ce cas, la portion 75 forme l’intégralité du substrat 70.
La portion 75 est, par exemple, monocristalline. Par exemple, la couche 75 et la plaque 80 sont chacune monocristalline.
Selon un mode de réalisation, le substrat 70 est monocristallin.
Le substrat présente une première face 85.
La première face 85 est, par exemple, plane.
La première face 85 délimite le substrat 70, notamment la portion 75 de matériau de substrat, selon une direction N normale à la première face 85. En particulier, la couche 75 s’étend dans un plan perpendiculaire à la direction normale N.
Selon un mode de réalisation, la première face 85 comporte un masque c’est-à-dire une couche couvrant partiellement la première face 85. En particulier, le masque est réalisé en un matériau empêchant le dépôt du premier matériau sur le masque, de manière à ce que, comme il apparaîtra par la suite, le dépôt de premier matériau n’ait lieu que sur les portions de la première face 85 dépourvues de masque. Le masque est, par exemple, réalisé en nitrure de titane TiN, ou encore en nitrure de Silicium (SixNy), en TiO2, en SiO2ou en graphène.
Lors de l’étape d’implantation 110, un ensemble d’atomes est implanté dans le matériau de substrat.
Il est notamment entendu par « implanter » que des atomes ou des ions sont accélérés, par exemple par un champ électrique ou magnétique, et propulsés en direction du substrat 70, notamment en direction de la première face 85, de manière à ce que les atomes soient enterrés dans le substrat 70.
Les atomes sont, par exemple, des atomes d’hydrogène. Toutefois, d’autres types d’atomes sont susceptibles d’être utilisés. La densité surfacique d’atomes d’hydrogène est, par exemple, comprise entre 101 5et 101 8 cm- 2. La profondeur d’implantation est, par exemple, comprise entre 10 nm et 1 µm.
Les atomes sont, notamment, implantés dans le matériau de substrat à travers la première face 85.
A l’issue de l’étape d’implantation 110, il est obtenu, dans le matériau de substrat, notamment dans la portion 75, une portion fragilisée 90, une portion de surface 92 et une portion interne 95.
La portion de matériau de substrat 75 est formée par la réunion de la portion fragilisée 90, de la portion de surface 92 et de la portion interne 95.
La portion fragilisée 90 est la portion du matériau de substrat 75 dans laquelle les atomes implantés sont présents.
La portion fragilisée 90 s’étend parallèlement à la première face 85, donc dans un plan perpendiculaire à la direction normale N.
En effet, si les atomes implantés sont projetés sur la première face 85, au cours de l’étape d’implantation 110, avec une vitesse identique pour tous les atomes, la profondeur à laquelle chaque atome est implanté, mesurée selon la direction normale N à partir de la première face 85, est identique pour tous les atomes. Ainsi, une portion fragilisée 90 s’étendant parallèlement à la première face 85 est obtenue.
La profondeur d’implantation des atomes est comprise entre 10 nm et 1 µm. En particulier, la profondeur d’implantation est égale à l’épaisseur de la couche fenêtre 25 qu’il est souhaité obtenir à l’issue du procédé de fabrication.
La portion fragilisée 90 sépare la portion de surface 92 de la portion interne 95.
La portion de surface 92 est interposée selon la direction normale N entre la portion fragilisée 90 et la portion interne 95. En d’autres termes, la portion interne 95 est formée par l’ensemble des portions de matériau de substrat qui sont situées à une profondeur, par rapport à la première face 85, strictement supérieure à la profondeur d’implantation des atomes.
Lors de l’étape de formation 120, la diode électroluminescente 20 est formée sur la première face 85. En particulier, le premier matériau, le matériau d’émission et le deuxième matériau sont déposés dans cet ordre sur la première face 85 de manière à obtenir la diode électroluminescente 20.
La diode électroluminescente 20 est, par exemple, formée par dépôt chimique en phase vapeur (en Anglais « Chemical vapor deposition », ou CVD), ou encore par épitaxie par jets moléculaires (en Anglais « Molecular Beam Epitaxy »).
A l’issue de l’étape de formation 120, la direction d’empilement D de la diode électroluminescente 20 est confondue avec la direction normale N.
A l’issue de l’étape de formation 120, la diode électroluminescente 20 est délimitée par la première face 85 et par une face d’extrémité 150 de la diode électroluminescente.
La première portion 40 est interposée entre la première face 85 et la portion d’émission 45 selon la direction normale N.
La première portion 40 est, notamment, délimitée selon la direction normale N par la première face 85 et par la portion d’émission 45. En particulier, la première portion 40 est solidaire de la portion de surface 92.
Par exemple, la première portion croît en épitaxie sur la première face 85.
De manière connue en soi, les structures tridimensionnelles composant la diode électroluminescente sont obtenues par le dépôt du premier matériau sur les portions de la première face 85 dépourvues de masque, le premier matériau n’étant pas déposé sur le masque. Ainsi, des portions primaires 55 séparées les unes des autres et s’étendant selon la direction normale N sont obtenues.
En variante, les conditions de dépôt, notamment de température, pendant l’étape de formation 120, sont choisies pour que la croissance du premier matériau ait lieu naturellement sous forme de colonnes séparées les unes des autres.
Une fois la première portion 40 formée, la portion d’émission 45 et la deuxième portion 50 sont déposées sur les colonnes formant la première portion 40, et ont naturellement tendance à conserver une croissance tridimensionnelle.
Optionnellement, l’étape de formation 120 comporte une étape de coalescence des portions secondaires 65 formant la deuxième portion 50. Par exemple, les conditions, notamment la température du substrat 70, pendant le dépôt du deuxième matériau sont choisies pour que la dimension latérale des portions secondaires 65 augmente en s’éloignant des portions intermédiaires 60 jusqu’à ce que les portions secondaires 65 viennent en contact les unes avec les autres puis fusionnent pour former une deuxième portion 50 monobloc.
En variante ou en complément, l’étape de formation 120 comporte une étape de planarisation.
L’étape de planarisation comporte, l’injection d’un matériau de remplissage dans l’espace entre les nanostructures, notamment les nanofils, formant la diode électroluminescente.
Le matériau de remplissage est transparent au rayonnement. En outre, le matériau de remplissage est électriquement isolant. Le matériau de remplissage est, par exemple, l’alumine Al2O3.
Postérieurement à l’injection et/ou à la coalescence, la face d’extrémité 150 de la diode électroluminescente 20 est planarisée, par exemple par polissage mécanique ou mécano-chimique. En effet, la face d’extrémité 150 est susceptible de présenter, à l’issue du dépôt du deuxième matériau, une rugosité excessive, notamment lorsque la diode électroluminescente 20 comporte un ensemble de structures tridimensionnelles, puisque la hauteur de ces structures est susceptible de varier d’une structure à l’autre à cause de variations du diamètre de ces structures ou encore de variations locales de la densité de structures.
Lors de l’étape de fixation 130, la face d’extrémité 150 de la diode électroluminescente 20 est fixée à une face, appelée deuxième face 155, du support 15, comme représenté sur la figure 4. En particulier, la deuxième face 155 est une face délimitant la couche de réflexion 35 selon la direction d’empilement D.
Dans le cas d’un support 15 bi-couches, les faces 150 et 155 sont, par exemple, fixées l’une à l’autre en déposant une couche métallique, par exemple une couche d’aluminium (par exemple par évaporation ou par « electron beam physical vapor deposition ») sur la face 150, puis en soudant le support 15 à la couche d’aluminium, par exemple à l’aide d’un métal de brasure interposé entre le support 15 et la face 150.
Lors de l’étape de rupture 140, la portion fragilisée 90 est rompue de manière à séparer la portion de surface 92 de la portion interne 95. Ainsi, la portion de surface 92, séparée du reste du substrat 70 et solidaire de la première portion 40 de la diode électroluminescente, forme la couche fenêtre 25. La rupture de la portion fragilisée 90 est notamment visible sur la figure 5.
La portion fragilisée 90 est, par exemple, rompue en chauffant le substrat 70 à une température et pendant une durée propres à provoquer dans la portion fragilisée 90 la formation de bulles d’un gaz formé par les atomes implantés. Les bulles formées causent ainsi la rupture de la portion fragilisée 90 et la séparation de la portion 75 de matériau de substrat le long de la portion fragilisée 90.
En outre, à l’issue de l’étape de rupture 140, le circuit de commande est connecté électriquement à la portion de surface 92, formant la couche fenêtre 25, et/ ou à la couche de réflexion 25.
Grâce à l’invention, il est obtenu aisément une couche fenêtre 25 transparente au rayonnement. Notamment, cette couche fenêtre est susceptible d’être réalisée en un matériau ne se prêtant pas au dépôt sur la diode électroluminescente 20, par exemple en un matériau dont le dépôt est fait à des températures susceptibles d’endommager la diode électroluminescente 20. La plus grande variété de matériaux ainsi permis permet notamment l’utilisation de matériaux de substrat, tels que le diamant, à la fois conducteurs et transparent au rayonnement.
Par ailleurs, un même substrat 70 est susceptible d’être utilisé un grand nombre de fois, une faible épaisseur de matériau de substrat (formant la portion de surface 92) étant retirée à chaque fois. Ainsi, un même substrat 70 peut servir à la croissance de nombreuses diodes 20 et à la fabrication de nombreux dispositifs émetteurs 10, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas de substrats 70 difficiles à obtenir, par exemple dans le cas de substrats 70 en AlN ou en AlN sur silicium.
De plus, la rupture de la portion fragilisée 90 génère une rugosité de surface de la face de la couche fenêtre 25 qui est opposée à la diode électroluminescente 20, c’est-à-dire la face à travers laquelle le rayonnement est prévu pour sortir de la couche fenêtre 25. Cette rugosité facilite l’extraction du rayonnement hors de la couche fenêtre 25 et augmente donc le rendement du dispositif 10.
Une longueur caractéristique de la rugosité est, par exemple, comprise entre 0,1 et 30 fois un rapport entre, au numérateur, la longueur d’onde moyenne du rayonnement et, au numérateur, l’indice optique à cette longueur d’onde du matériau composant la couche fenêtre 25, cette gamme de longueurs caractéristiques permettant une bonne extraction du rayonnement.
En outre, la couche fenêtre 25 est susceptible d’être monocristalline si le substrat 70 utilisé comporte une portion 75 monocristalline. La transparence et/ou la conductivité électrique de la couche fenêtre 25 sont donc améliorées par rapport à des couches fenêtres 25 polycristallines.
Le diamant est notamment un matériau transparent sur une large gamme de longueurs d’ondes et susceptible d’être conducteur, notamment lorsqu’il est fortement dopé p. Le diamant est notamment adapté à la croissance de nitrures d’éléments III, et transparent aux rayonnements, notamment UV, obtenus par les diodes réalisées en ces matériaux.
En outre, le dopage p des nitrures d’éléments III et notamment de l’AlN est difficile, et il est donc particulièrement intéressant d’utiliser le diamant dopé p comme couche fenêtre pour limiter l’utilisation de nitrures d’éléments III et notamment d’AlN dopés p et peu conducteurs.
Les structures tridimensionnelles et notamment les nanofils de nitrures d’éléments III et notamment d’AlN permettent un dopage p plus efficace que des structures bidimensionnelles.
La coalescence et/ou l’injection de matériau de remplissage, suivie(s) d’un polissage, permettent d’obtenir des faces 150 planes et permettant une bonne fixation à la couche de réflexion 35. En particulier, l’injection de matériau de remplissage permet d’éviter d’endommager excessivement les structures tridimensionnelles lors du polissage.
La portion métallique 35 du support 15 permet de refléter le rayonnement et donc d’augmenter le rendement de sortie du dispositif émetteur 10. En outre, cette couche 35 permet aussi une alimentation électrique aisée de la diode 20.
Il est à noter que selon des modes de réalisation envisagés, le dispositif émetteur 10 comporte, en outre, un convertisseur (parfois appelé « phosphore ») configuré pour absorber tout ou partie du rayonnement et pour émettre en réponse un rayonnement présentant une longueur d’onde moyenne différente, notamment strictement plus longue, que la longueur d’onde moyenne du rayonnement émis. Le convertisseur est alors, par exemple, disposé en contact avec la couche fenêtre 25, la couche fenêtre 25 étant notamment interposée entre le convertisseur et la diode électroluminescente 20.
Bien que le cas spécifique dans lequel le matériau de substrat est le diamant et le premier type de dopage est le dopage p soit décrit en détails ci-dessus, d’autres configurations sont envisageables, notamment des configurations dans lesquelles le premier type de dopage est le dopage n et le deuxième type de dopage est le dopage p.
Par exemple, le premier type de dopage est le dopage n, le matériau de substrat est AlN, dopé n, et le deuxième matériau est, par exemple, AlGaN dopé p. De telles configurations comportent, par exemple, des diodes électroluminescentes 20 planaires, bien que des configurations dans lesquelles les diodes électroluminescentes 20 comportent des structures tridimensionnelles sont également envisageables.
Lorsque le premier type de dopage est le dopage n, la couche bloqueuse d’électrons fait alors par exemple partie de la deuxième portion 50.
A titre d’exemple, si le substrat est du diamant dopé p ou de l'AlN dopé p, la première portion 40 est réalisée en un nitrure d’élément III présentant un dopage de type p, la deuxième portion 50 est réalisée en un matériau présentant un dopage de type n, la portion d’émission 45 étant interposée entre les portions 40 et 50 et présentant un dopage de type n ou p, ou encore étant non-intentionnellement dopée.
Lorsque le substrat est de l'AlN dopé n, la première portion 40 est, par exemple, réalisée en un nitrure d’élément III présentant un dopage de type n, la deuxième portion 50 est réalisée en un matériau présentant un dopage de type p, la portion d’émission 45 étant interposée entre les portions 40 et 50 et présentant un dopage de type n ou p, ou encore étant non-intentionnellement dopée.

Claims (12)

  1. Procédé de fabrication d’un dispositif émetteur (10) comportant une diode électroluminescente (20) configurée pour émettre un rayonnement, la diode électroluminescente (20) comportant une première portion (40), une deuxième portion (50) et une portion d’émission (45), la première portion (40) étant réalisée en un premier matériau semi-conducteur présentant un premier type de dopage, la deuxième portion (50) étant réalisée en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième type de dopage différent du premier type de dopage, la portion d’émission (45) étant interposée entre la première portion (40) et la deuxième portion (50), la portion d’émission (45) étant réalisée en un matériau d’émission semi-conducteur configuré pour émettre le rayonnement lorsque la diode électroluminescente (20) est traversée par un courant électrique, le procédé comportant des étapes de :
    • fourniture (100) d’un substrat (70) réalisé au moins partiellement en un matériau de substrat semi-conducteur présentant le premier type de dopage, le matériau de substrat étant transparent au rayonnement, le substrat (70) présentant une première face (85) délimitant le substrat (70) selon une direction (N) normale à la première face (85),
    • implantation (110), à travers la première face (85), d’un ensemble d’atomes apte à former une portion fragilisée dans le matériau de substrat, la portion fragilisée (90) s’étendant parallèlement à la première face (85), le substrat (70) comportant en outre une portion de surface (92) et une portion interne (95), la portion fragilisée (90) séparant la portion de surface (92) de la portion interne (95) selon la direction normale (N),
    • formation (120), sur la première face (85), de la diode électroluminescente (20) par dépôt au moins du premier matériau, du matériau d’émission et du deuxième matériau, la première portion (40) étant interposée selon la direction normale (N) entre la portion d’émission (45) et la première face (85), la portion de surface (92) du substrat (70) étant solidaire de la première portion (40), la diode électroluminescente (20) étant délimitée selon la direction normale (N) par la première face (85) et par une face d’extrémité (150) de la deuxième portion (50),
    • fixation (130) de la face d’extrémité (150) à une deuxième face (155) d’un support (15), la deuxième portion (50) étant interposée selon la direction normale (N) entre le support (15) et la portion d’émission (45), et
    • rupture (140) de la portion fragilisée (90) pour séparer la portion de surface (92) du matériau de substrat de la portion interne (95) du matériau de substrat.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble d’atomes implanté dans le substrat pour former une portion fragilisée comprend des atomes d’hydrogène,
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau de substrat est le diamant.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau de substrat est le nitrure d’aluminium.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rayonnement est un rayonnement ultra-violet, notamment un rayonnement présentant une longueur d’onde moyenne comprise entre 250 nanomètres et 280 nanomètres.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une des propriétés suivantes est vérifiée :
    - le premier matériau, le deuxième matériau et le troisième matériau sont des nitrures d’élément III, et/ou
    - le matériau de substrat est monocristallin.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier type de dopage est le dopage de type p.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant, en outre, une étape de fourniture d’un circuit d’alimentation de la diode électroluminescente (20) et une étape de connexion de la portion de surface (92) au circuit d’alimentation.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la diode électroluminescente (20) comporte un ensemble de nanofils s’étendant chacun selon la direction normale (N), chaque nanofil comportant une base (55) réalisée en le premier matériau, une portion intermédiaire (60) réalisée en le matériau d’émission et une portion d’extrémité (65) réalisée en le deuxième matériau, la première portion (40) étant formée par la réunion des bases (55) des nanofils, la portion d’émission (45) étant formée par la réunion des portions intermédiaires (60), la deuxième portion (50) étant formée par la réunion des portions d’extrémité (65).
  10. Procédé selon la revendication 9, comportant l’une des étapes suivantes :
    - une étape de coalescence des portions d’extrémité (65) des nanofils pour former la face d’extrémité (150), et/ou
    - une étape d’injection d’un matériau de remplissage transparent au rayonnement entre les nanofils antérieurement à l’étape de fixation (130).
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (15) comporte une portion métallique (35) délimitée par la deuxième face (155), la portion métallique (35) étant fixée à la diode électroluminescente (20) au cours de l’étape de fixation (140).
  12. Dispositif émetteur (10) susceptible d’être obtenu par un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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