FR3118303A1 - Dispositif optoélectronique et procédé de fabrication - Google Patents
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Abstract
Dispositif optoélectronique et procédé de fabrication.
L’invention concerne un procédé de fabrication de structures tridimensionnelles (3D) pour l’optoélectronique chaque structure 3D comprenant, en empilement selon (z) :
- une partie inférieure (21) prenant appui sur un substrat (1),
- une région active (22) configurée pour émettre un rayonnement lumineux, ladite région active (22) prenant appui sur un sommet (211) de la partie inférieure (21), et
- une partie supérieure (23) prenant appui sur un sommet (221) de la région active (22),
ledit procédé comprenant :
- Une fourniture d’un substrat (1) portant une pluralité de parties inférieures (21) de structures 3D, lesdites parties inférieures (21) présentant des sommets (211) distincts tels que les sommets (211) de deux parties inférieures (21) adjacentes sont séparés entre eux par une distance de séparation ds inférieure à 180 nm,
- Une formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) des régions actives sur les sommets (211) des parties inférieures (21),
- Une formation des parties supérieures (23) sur les sommets (221) des régions actives (22).
L’invention concerne également un dispositif optoélectronique à base d’une pluralité de ces structures 3D
Figure pour l’abrégé : Fig. 3.
Description
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.
ETAT 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.
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 composition de la région active. Pour produire un rayonnement lumineux dans le vert ou dans le rouge, la région active peut typiquement comprendre des puits quantiques à base d’InGaN. Plus la concentration d’indium [In] augmente, plus la longueur d’onde principale augmente. Il peut être ainsi nécessaire d’incorporer une concentration d’indium [In] ≥ 10%at pour obtenir une LED émettant dans le rouge.
Les LED à base de GaN sont généralement fabriquées selon une technologie dite planaire, qui consiste à former sur un plan de base d’un substrat, un empilement de couches bidimensionnelles (2D) selon une direction normale au plan de base.
Comme illustré à la , cet empilement peut typiquement comprendre, à partir du substrat 10, une région tampon 101 en GaN, une région 102 dopée N en GaN, la région active 103 comprenant les puits quantiques à base d’InGaN, une région 104 dopée P en GaN.
Une structuration de cet empilement a posteriori, par exemple par des étapes de lithographie/gravure, permet ensuite de former une pluralité de LED ou de micro-LED présentant chacune une structure en mésa comprenant typiquement une face sommitale 1040 et des parois latérales 100 ( ).
Un inconvénient de ce type de structures en mésa est lié à la structuration a posteriori. Les parois latérales 100 obtenues par gravure présentent généralement des défauts favorisant l’apparition de recombinaisons non radiatives de surface. Le rendement radiatif des LED est diminué.
Une solution permettant de réduire les défauts des parois latérales consiste à former directement une structure tridimensionnelle (3D) à base de GaN. Ces structures 3D peuvent se présenter sous forme de microfils 2 ou de nanofils 2 à base de GaN s’étendant principalement selon une direction z normale au substrat 1, tels qu’illustrés à la . Elles comprennent typiquement une partie inférieure 21 prenant appui sur le substrat 1, une région active 22 prenant appui sur la partie inférieure 21, et une partie supérieure 23 prenant appui sur la région active 22, en empilement selon la direction longitudinale z.
Ces structures 3D 2 présentent typiquement une architecture dite axiale dans laquelle les puits quantiques à base d’InGaN de la région active 22 s’étendent de façon transverse, parallèlement au plan xy du substrat 1. Une telle architecture axiale permet notamment d’incorporer une concentration d’indium (In) importante dans les puits quantiques de la région active 22. Cette architecture axiale peut donc être utilisée pour fabriquer des LED ou micro-LED 3D verte ou rouge.
La fabrication de ces structures 3D dites axiales se fait typiquement par épitaxie par jets moléculaires MBE (acronyme de Molecular Beam Epitaxy) à partir d’une couche 11 en GaN. 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 parallèlement au substrat. Des LED 3D axiales sous forme de fil configurées pour émettre dans le vert ou dans le rouge et comprenant chacune une partie inférieure à base de GaN, une région active à base d’InGaN disposée transversalement au fil, et une région supérieure à base de GaN peuvent ainsi être fabriquées.
Cependant, l’épitaxie par jets moléculaires MBE n’est pas une technique compatible avec un procédé de fabrication industriel. Des LED 3D axiales montrant de bonnes performances d’émission dans le vert ou dans le rouge ne sont donc pas viables à une échelle industrielle.
La présente invention vise à pallier au moins partiellement ces inconvénients.
En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un procédé amélioré de fabrication d’une pluralité de structures 3D pour l’optoélectronique.
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.
RESUME
Pour atteindre les objectifs mentionnés ci-dessus, la présente invention prévoit selon un premier aspect un procédé de fabrication d’une pluralité de structures tridimensionnelles (3D) pour l’optoélectronique, chaque structure 3D comprenant, en empilement selon une direction longitudinale z :
- une partie inférieure comprenant une base prenant appui sur un substrat,
- une région active configurée pour émettre ou recevoir un rayonnement lumineux, ladite région active prenant appui sur un sommet, opposé à la base, de la partie inférieure, et
- une partie supérieure prenant appui sur un sommet de la région active,
ledit procédé comprenant :
- Une fourniture d’un substrat portant une pluralité de parties inférieures de structures 3D, lesdites parties inférieures présentant des sommets distincts tels que les sommets de deux parties inférieures adjacentes sont séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure à 180 nm,
- Une formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) des régions actives sur les sommets des parties inférieures,
- Une formation des parties supérieures sur les sommets des régions actives.
La formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE des régions actives permet avantageusement de rendre le procédé de fabrication de LED 3D axiales compatible industriellement.
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.
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’InGaN sur la partie inférieure de la structure 3D, par exemple un fil à base de GaN forme une couche continue d’InGaN sur les flancs et le sommet de la partie inférieure ou du fil, et la structure 3D obtenue présente dès lors une architecture dite radiale.
Au contraire, dans le cadre du développement de la présente invention, il est apparu de façon surprenante qu’un tel dépôt MOVPE d’InGaN sur un ensemble de parties inférieures de structure 3D à base de GaN proches les uns des autres, permet d’obtenir une structure 3D axiale, où le matériau à base d’InGaN se situe majoritairement sur le sommet des parties inférieures.
Selon un principe de l’invention, les sommets des parties inférieures sont séparés les uns des autres par une distance de séparationdsinférieure à 180 nm. Le dépôt périodique de puits quantiques d’InGaN et de barrières d’AlGaN par MOVPE permet avantageusement de former les régions actives sur les sommets des parties inférieures à base de GaN. Ces régions actives peuvent présenter une forme de pyramide tronquée au sommet des parties inférieures, par exemple au sommet des fils.
Ces conditions de densité élevée de parties inférieures ou de fils sont favorables pour que la MOVPE permette avantageusement d’obtenir des structures 3D axiales. Ces conditions de densité élevée sont typiquement obtenues pour des distances de séparationds, entre les sommets adjacents des parties inférieures ou des fils, inférieures ou égales à 180 nm. Ce procédé est compatible avec la fabrication industrielle de LED 3D axiales.
En outre, les régions actives sommitales peuvent présenter des concentrations d’Indium suffisantes, par exemple [In] ≥ 10%at, pour former des LED configurées pour émettre des rayonnements lumineux dans le vert ou dans le rouge.
Selon une possibilité, les parties inférieures se présentent sous forme de fils et sont formées par MOVPE au travers d’ouvertures d’une couche de masquage. Dans ce cas, les ouvertures de la couche de masquage sont régulièrement distribuées sous forme d’un réseau présentant un pas inférieur ou égal à 700 nm. Ce pas détermine en partie la distance de séparationdsentre sommets des fils. A l’issue de la croissance des fils à base de GaN, ceux-ci sont donc relativement proches les uns des autres. Cela permet de favoriser une croissance axiale d’InGaN au sommet des fils, pour former des structures 3D selon une architecture axiale.
Un deuxième aspect de la présente invention concerne un dispositif optoélectronique comprenant une pluralité de structures tridimensionnelles (3D) pour l’optoélectronique, chaque structure 3D présentant une forme de fil et comprenant, selon une architecture dite axiale :
- une partie inférieure s’étendant selon une direction longitudinale et comprenant une base prenant appui sur un substrat,
- une région active, comprenant de préférence au moins un puits quantique s’étendant selon un plan normal à la direction longitudinale, configurée pour émettre ou recevoir un rayonnement lumineux, le cas échéant à partir de l’au moins un puits quantique, ladite région active prenant appui sur un sommet, opposé à la base, de la partie inférieure, et
- une partie supérieure prenant appui sur un sommet de la région active.
Avantageusement, ce dispositif à structure 3D axiale comprend en outre une couche de masquage au contact d’une couche superficielle du substrat. Cette couche de masquage comprend avantageusement des ouvertures au travers desquelles les parties inférieures sous forme de fil s’étendent. Les bases des parties inférieures prennent ainsi appui sur la couche superficielle du substrat.
L’intégration d’une telle couche de masquage permet avantageusement de recourir à la MOVPE pour former respectivement les partie inférieure, région active, et partie supérieure de la structure 3D axiale. Cette couche de masquage peut être conservée à l’issue de la fabrication des structures 3D.
Cette couche de masquage permet en outre de renforcer mécaniquement la structure 3D axiale obtenue. Elle 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 structures 3D par exemple. Elle peut également être transparente de façon à laisser passer un rayonnement lumineux émis ou reçus par les structures 3D.
Avantageusement, deux sommets de deux parties inférieures adjacentes sont séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure à 180 nm. Cela permet notamment d’obtenir une structure 3D axiale par MOVPE.
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.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels:
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 des structures 3D ne sont pas forcément représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
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.
Selon un exemple, chaque structure 3D présente une forme de fil et comprend, selon une architecture dite axiale :
- une partie inférieure s’étendant selon une direction longitudinale et comprenant une base prenant appui sur un substrat,
- une région active comprenant au moins un puits quantique s’étendant selon un plan normal à la direction longitudinale et configurée pour émettre ou recevoir un rayonnement lumineux à partir de l’au moins un puits quantique, ladite région active prenant appui sur un sommet, opposé à la base, de la partie inférieure, et
- une partie supérieure prenant appui sur un sommet de la région active.
Selon un exemple, le procédé comprend :
- Une fourniture d’un substrat comprenant au moins une couche superficielle,
- Une formation d’une couche de masquage sur le substrat, ladite couche de masquage comprenant des ouvertures au travers desquelles sont exposées des zones de la couche superficielle,
- Une formation, à partir des zones exposées de la couche superficielle, des parties inférieures sous forme de fils, les bases desdites parties inférieures prenant appui sur la couche superficielle du substrat, au travers des ouvertures,
- Une formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) des régions actives sur les sommets des parties inférieures,
- Une formation des parties supérieures sur les sommets des régions actives.
Selon un exemple, la formation par MOVPE des régions actives comprend un dépôt dit axial s’effectuant selon la direction longitudinale et un dépôt dit radial s’effectuant selon une direction normale à la direction longitudinale, et une épaisseur du dépôt radial est inférieure ou égale à 10% d’une épaisseur du dépôt axial.
Selon un exemple, le procédé est configuré pour que la partie inférieure présente des flancs dépourvus de région active.
Selon un exemple, la formation des parties inférieures est configurée pour que les sommets des parties inférieures des structures 3D soient séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure à 180 nm, de préférence inférieure à 150 nm.
Selon un exemple, la distance de séparationdsest inférieure ou égale à 100 nm.
Selon un exemple, les parties inférieures des structures 3D sont distribuées au sein de la pluralité de façon à présenter une densité surfacique supérieure ou égale à 4 µm-2.
Selon un exemple, la formation de la couche de masquage est configurée pour que les ouvertures de la couche de masquage soient espacées d’une distancedinférieure à 700 nm.
Selon un exemple, la formation de la couche de masquage est configurée pour que les ouvertures de la couche de masquage soient distribuées de façon à présenter une densité surfacique supérieure ou égale à 4 µm-2.
Selon un exemple, le procédé est configuré pour que la région active s’étende uniquement à partir du sommet de la partie inférieure.
Selon un exemple, les parties inférieures et les parties supérieures sont choisies à base de GaN et la région active est choisie à base d’InGaN.
Selon un exemple, la région active comprend au moins un puits quantique à base d’InGaN.
Selon un exemple, la région active comprend une couche d’InGaN d’épaisseur supérieure à 5nm.
Selon un exemple, la région active comprend un ensemble de boites quantiques à base d’InGaN.
Selon un exemple, l’au moins un puits quantique à base d’InGaN est formé par MOVPE à une température supérieure ou égale à 700°C.
Selon un exemple, la région active s’étend de façon transverse à la direction longitudinale z.
Selon un exemple, la couche superficielle présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 200 nm.
Selon un exemple, les structures 3D sont entièrement formées par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE.
Selon un exemple, les ouvertures de la couche de masquage sont régulièrement espacées par un pas inférieur ou égal à 700 nm.
Selon un exemple, la formation de la région active est configurée pour que les puits quantiques à base d’InGaN présentent un taux d’indium [In] ≥ 10%at.
L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
Selon un exemple, la longueur d’onde principale λ du rayonnement lumineux est supérieure ou égale à 400 nm et/ou est inférieure ou égale à 700 nm.
Selon un exemple, la longueur d’onde principale λ du rayonnement lumineux est comprise entre 500 nm et 650 nm.
Selon un exemple, la partie inférieure du fil présente une hauteur supérieure ou égale à 150 nm.
Selon un exemple, la partie inférieure du fil présente un diamètre supérieur ou égal à 30 nm et/ou inférieur ou égal à 500 nm.
Selon un exemple, les sommets des parties inférieures des structures 3D sont séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure ou égale à 100 nm.
Selon un exemple, les bases présentent un diamètre inférieur à un diamètre des sommets des parties inférieures, de préférence au moins 10% inférieur.
Selon un exemple, les parties inférieures présentent une section augmentant brusquement entre une zone comprise dans les ouvertures et une zone située en dehors des ouvertures.
Selon un exemple, de préférence pour chaque structure 3D, la région active s’étend uniquement à partir du sommet de la partie inférieure.
Selon un exemple, de préférence pour chaque structure 3D, la région active présente une forme pyramidale tronquée.
Selon un exemple, de préférence pour chaque structure 3D, la région active en forme de pyramide tronquée comprend des faces inclinées d’un angle d’environ 30° vis-à-vis de la direction longitudinale, ces faces inclinées correspondant sensiblement à des plans semi-polaires de type {10-11}.
Selon un exemple, de préférence pour chaque structure 3D, le sommet de la partie inférieure du fil est entouré par une collerette.
Selon un exemple, de préférence pour chaque structure 3D, la collerette présente une continuité avec les faces inclinées de la pyramide tronquée formant la région active.
Selon un exemple, les puits quantiques à base d’InGaN présentent un taux d’indium [In] ≥ 10 %.
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.
Dans la présente invention, le procédé de fabrication de structures 3D axiales est en particulier dédiée à la fabrication de LED 3D.
L’invention peut être mise en œuvre plus largement pour différents dispositifs optoélectroniques à structure 3D, et notamment ceux comprenant des régions actives.
On entend par région active d’une structure 3D d’un dispositif optoélectronique la région depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement lumineux fourni par cette structure, ou la région depuis laquelle est captée la majorité du rayonnement lumineux reçu par cette structure.
L’invention peut donc être également mise en œuvre dans le cadre de dispositifs laser ou photovoltaïque.
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.
Les étapes de formation des différents éléments s’entendent au sens large : elles peuvent être réalisées en plusieurs sous-étapes qui ne sont pas forcément strictement successives.
On entend par diamètre la dimension transverse la plus grande au point considéré de la structure 3D (par exemple diamètre de la base de la partie inférieure, diamètre du sommet de la partie inférieure, diamètre de la collerette, diamètre du sommet de la pyramide tronquée). Dans la présente invention, les structures 3D ne présentent pas nécessairement une section transverse circulaire. En particulier, dans le cas de structures 3D 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.
Les structures 3D peuvent présenter une section transverse hexagonale ou polygonale. Les régions actives en forme de pyramides tronquées prennent appui sur une extrémité des parties inférieures des structures 3D. Les pyramides tronquées présentent de préférence la même base hexagonale ou polygonale que ces parties inférieures.
On entend par fil une structure 3D de forme allongée selon la direction longitudinale. La dimension longitudinale du fil, selon z sur les figures, est supérieure, et de préférence très supérieure, aux dimensions transverses du fil, dans le plan xy sur les figures. La dimension longitudinale est par exemple au moins cinq fois, et de préférence au moins dix fois, supérieure aux dimensions transverses.
La densité surfacique des structures 3D dépend de la distance de séparationdsséparant les sommets des parties inférieures de deux structures 3D adjacentes. Elle peut notamment être inversement proportionnelle à cette distancedsselonk/ds 2 aveckun facteur de proportionnalité. Cette densité s’exprime en µm-2, soit en nombre de structures 3D par micromètre carré.
Dans la présente demande de brevet, les termes « concentration », « taux » et « teneur » sont synonymes.
Plus particulièrement, une concentration peut être exprimée en unité relative telle que les fractions molaires ou atomiques (%at), ou en unité absolue telle que le nombre d’atomes par centimètre cube (at.cm-3).
Dans la suite, les concentrations sont des fractions atomiques exprimées en %at, sauf mention contraire.
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 ».
Dans la suite, les abréviations suivantes relatives à un matériau M sont éventuellement utilisées :
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-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-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 matériau 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 structure 3D 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 (AlGaN) ou du nitrure de gallium avec différentes teneurs en aluminium et en indium (GaInAlN). Dans le cadre de la présente invention, le matériau M est généralement cristallin.
Un repère, de préférence orthonormé, comprenant les axes x, y, z est représenté sur les figures annexées.
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 superficielle présente typiquement une épaisseur selon z, et un fil présente une hauteur selon z. Une épaisseur d’un dépôt axial est prise selon z et une épaisseur d’un dépôt radial est prise dans le plan xy.
Les valeurs dimensionnelles s'entendent aux tolérances de fabrication et de mesure près. Ainsi, deux distances de séparationdsidentiques ou deux diamètres de fils identiques en théorie, peuvent présenter une légère variation dimensionnelle en pratique.
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.
Pour déterminer la géométrie des structures 3D et les compositions des différents éléments (fil, région active, collerette par exemple) de ces structures 3D, 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 région 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 »).
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 régions actives à base d’InGaN, peuvent être déterminées par spectroscopie.
Les spectroscopies de cathodoluminescence (CL) et de photoluminescence (PL) sont bien adaptées pour caractériser optiquement les structures 3D décrites dans la présente invention.
Les techniques mentionnées ci-dessus permettent notamment de déterminer si un dispositif optoélectronique à structure 3D axiale sous forme de fil comprend des puits quantiques à base d’InGaN formés au sommet d’un fil à base de GaN, et une couche de masquage indicatrice d’une mise en œuvre d’un dépôt de type MOVPE, tel que décrit dans la présente invention. La présence éventuelle d’une collerette est également facilement observable à l’aide de ces techniques.
Le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre selon deux approches principales. Une première approche consiste à former les parties inférieures des structures 3D, les régions actives et de préférence les parties supérieures, directement par des croissances successives, de préférence par des croissances MOVPE successives. Cette première approche est dite « bottom-up » (de bas en haut) selon la terminologie généralement utilisée, puisque les structures 3D sont formées de bas en haut.
Une deuxième approche consiste à former les parties inférieures des structures 3D à partir d’une couche 2D préexistante, par gravure de cette couche 2D. Les régions actives et de préférence les parties supérieures sont ensuite formées par des croissances successives, de préférence par des croissances MOVPE successives. Cette deuxième approche est dite « top-down » (de haut en bas) selon la terminologie généralement utilisée, puisque les parties inférieures des structures 3D sont formées de haut en bas.
Les exemples qui suivent se placent dans le cadre de l’approche « bottom-up ».
Un premier exemple de réalisation de structures 3D selon l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3, 4 et 5A, 5B.
La illustre une pluralité de structures 3D 2 adjacentes et distribuées sur un même substrat 1. La description qui suit, relative à l’une de ces structures 3D, s’étend naturellement aux autres structures 3D de cette pluralité, qui sont réputées être sensiblement identiques entre elles.
La structure 3D 2 comprend au moins une partie inférieure 21 sous forme de fil et une région active 22 au sommet de cette partie inférieure 21. Elle est de préférence formée directement à partir du substrat 1. Ce substrat 1 peut se présenter sous forme d’un empilement comprenant, selon la direction z, un support 10, une couche 11 superficielle dite couche de nucléation, et une couche de masquage 12. Le substrat 1 est sensiblement plan et parallèle au plan xy.
Le support 10 peut être notamment en saphir pour limiter le désaccord de paramètre de maille avec le GaN, ou en silicium pour réduire les coûts et pour des problématiques de compatibilité technologique. Dans ce dernier cas, il peut se présenter sous forme d’un wafer de diamètre 200 mm ou 300 mm. Il sert notamment de support aux structures 3D.
La couche de nucléation 11 est de préférence à base d’AlN. Elle peut être alternativement à base d’autres nitrures métalliques, par exemple GaN ou AlGaN. Elle peut être formée sur le support 10 en silicium par épitaxie, de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »). Selon un exemple la couche de nucléation 11 présente une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 µm. Elle présente de préférence une épaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanomètres, par exemple environ 100 nm ou 200 nm, à quelques microns, par exemple de l’ordre de 2 µm. Elle peut également présenter une épaisseur inférieure à 100 nm. Cela permet de limiter les contraintes mécaniques induites par cette couche 11 sur le support 10. Cela permet d’éviter une courbure du support 10 préjudiciable. Une telle épaisseur permet en outre de limiter l’apparition de défauts structuraux dans la couche de nucléation 11. En particulier, la croissance de cette couche de nucléation 11 peut être pseudomorphe, c’est-à-dire que les contraintes d’épitaxie (liées notamment à la différence de paramètres de maille entre le Si et l’AlN, le GaN ou l’AlGaN) peuvent être relâchées élastiquement pendant la croissance. La qualité cristalline de cette couche de nucléation 11 peut ainsi être optimisée.
La couche de masquage 12 est de préférence en un matériau diélectrique, par exemple en nitrure de silicium Si3N4. Elle peut être déposée par dépôt chimique en phase vapeur CVD (acronyme de « Chemical Vapor Deposition ») sur la couche de nucléation 11. Elle masque en partie la couche de nucléation 11 et comprend des ouvertures 120 de préférence circulaires exposant des zones de la couche de nucléation 11. Ces ouvertures 120 présentent typiquement une dimension, par exemple un diamètre Φo ou un diamètre moyen, comprise entre 30 nm et 500 nm. Les ouvertures 120 peuvent être distribuées de façon régulière au sein de la couche de masquage 12, par exemple sous forme d’un réseau ordonné. Le pasd, i.e. la distance séparant les centres de deux ouvertures 120 adjacentes, est de préférence inférieur ou égal à 700 nm. Il peut être compris entre 50 nm et 650 nm. Les ouvertures 120 présentent avantageusement une densité surfacique supérieure à 4 µm-2. Cela permet d’obtenir in fine des structures 3D densément réparties sur le substrat 1. Ces ouvertures 120 peuvent être réalisées par exemple par lithographie UV ou DUV (acronyme de Deep UV), par lithographie par faisceau électronique ou par NIL (acronyme de Nanoinprint lithography). Une telle couche de masquage 12 permet une croissance localisée d’une structure 3D au niveau de chaque ouverture 120. En particulier, lors d’une étape de croissance préliminaire appelée germination, un germe à base de GaN se forme au niveau de l’ouverture 120 puis remplit ladite ouverture 120. La croissance ultérieure de la partie inférieure de la structure 3D se fait alors à partir de ce germe, de façon localisée. Ce germe forme ainsi la base 210 de la partie inférieure 21 de la structure 3D. La partie inférieure 21 prend appui sur la couche de nucléation 11 du substrat 1 par l’intermédiaire de sa base 210.
La partie inférieure 21 de la structure 3D est de préférence à base de GaN, notamment à base de GaN-n. Elle est de préférence orienté parallèlement à z selon une direction cristallographique [0001] correspondant à l’axe c d’une structure cristallographique hexagonale.
La formation de cette partie inférieure 21 à base de GaN peut se faire par épitaxie, de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »), notamment comme défini dans la publication WO2012136665. La source de gallium sous forme de précurseur organométallique (précurseur III) peut typiquement être du triméthyl-gallium (TMGa) ou du triéthyl- gallium (TEGa). La source d’azote peut typiquement être de l’ammoniaque (NH3) ou de l’azote (N2) (précurseur V). La température de croissance est de préférence supérieure à 700°C, par exemple de l’ordre de 1000°C. La pression de gaz au sein du réacteur de croissance est par exemple de l’ordre de 425 Torr. La croissance se fait de préférence sous atmosphère neutre et/ou réductrice, typiquement par ajout d’azote N2et/ou de dihydrogène H2. Les flux des différents gaz pourront être adaptés de façon connue par l’homme du métier, en fonction notamment du volume du réacteur.
La formation de la partie inférieure 21 peut alternativement se faire par épitaxie en phase vapeur à précurseurs gazeux chlorés HVPE (acronyme de « Hydride Vapour Phase Epitaxy »), par dépôt chimique en phase vapeur CVD et MOCVD (acronyme de de « MetalOrganic Chemical Vapor Deposition »).
De façon optionnelle, des étapes classiques de préparation de surface du germe 210 (nettoyage chimique, traitement thermique) peuvent être effectuées préalablement à la croissance épitaxiale de la partie inférieure 21.
La partie inférieure 21 de la structure 3D 2 peut comprendre une région à base de GaN dopée N (GaN-n). De façon connue, cette région dopée N peut résulter d’une croissance, d’une implantation et/ou d’un recuit d’activation. Le dopage N peut notamment s’obtenir directement lors de la croissance, à partir d’une source de silicium ou de germanium, par exemple par addition de vapeur silane ou disilane ou germane. Les conditions de croissance requises pour la formation d’une telle partie inférieure 21 sont largement connues.
La partie inférieure 21 de la structure 3D 2 présente un diamètre Φ supérieur ou égal à 30 nm et/ou inférieur ou égal à 500 nm. La section transverse de la partie inférieure 21, dans le plan xy, peut typiquement présenter une forme hexagonale plus ou moins régulière. Le diamètre Φ peut dans ce cas être un diamètre moyen. Le diamètre Φ peut être supérieur au diamètre Φo de l’ouverture 120 et de la base 210 ayant donné naissance à la partie inférieure 21. La section transverse peut ainsi présenter une variation brusque de diamètre entre sa base 210 comprise dans l’ouverture 120 et sa partie principale hors de l’ouverture 120, dite partie inférieure 21 principale.
La base 210 de la partie inférieure 21 de la structure 3D 2 est enserrée par la couche de masquage 12. La partie inférieure 21 principale peut en outre prendre appui sur la couche de masquage 12. Cela permet ainsi de renforcer mécaniquement la structure 3D 2. Ce renforcement mécanique est d’autant plus important que le rapport d’aspect de la structure 3D augmente.
La partie inférieure 21 principale présente notamment une hauteur h supérieure ou égale à 100 nm, de préférence supérieure ou égale à 200 nm. La partie inférieure 21 principale présente de préférence un rapport d’aspect h/Φ supérieur à 1, et de préférence supérieur à 5. Cela permet d’améliorer la qualité cristalline au niveau du sommet 211 de cette partie inférieure 21. Cela permet également d’éloigner le sommet 211 du substrat 1 plan sous-jacent. L’environnement local au niveau du sommet 211 n’est ainsi pas perturbé par le substrat 1 plan sous-jacent. Le sommet 211 de la partie inférieure 21 est de préférence sensiblement plan et parallèle au plan xy, de façon à accueillir la région active 22.
Dans le cas d’une LED, la région active 22 peut typiquement comprendre une pluralité de puits quantiques configurés pour émettre un rayonnement lumineux selon une longueur d’onde principale λ. Ces puits quantiques sont par exemple à base d’InGaN. Ils peuvent être classiquement séparés les uns des autres par des barrières à base d’AlGaN.
La région active 22 est de préférence orientée selon la même direction cristallographique que la partie inférieure 21. Dans l’exemple illustré par les figures 4, 5A et 5B, elle comprend notamment les puits quantiques 220 à base d’InGaN visibles sur l’image STEM HAADF de la , et plus particulièrement sur l’image STEM HAADF de la qui est un agrandissement de la zone repérée a sur la . La région active 22 peut comprendre au moins un puit quantique 220. Le nombre de puits quantiques 220 de la région active 22 peut être compris entre 1 et 20. Les puits quantiques 220 s’étendent de préférence selon des plans xy et sont typiquement séparés selon z par des barrières quantiques 222 ( ). Alternativement, la région active 22 peut se présenter sous forme d’une couche à base d’InGaN d’épaisseur supérieure ou égale à 5 nm, par exemple 30 nm. Alternativement, la région active 22 peut comprendre un ensemble de boites quantiques à base d’InGaN.
La formation de cette région active 22 se fait de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »). Cela inclut notamment les techniques d’épitaxie par CVD, telles que l’épitaxie HVPE. Les conditions de croissance requises pour la formation de la région active 22 diffèrent de celles requises pour la formation de la partie inférieure 21. Une source d’indium sous forme de précurseur organométallique, par exemple du triméthyl-indium (TMIn) ou du triéthyl-indium (TEIn), est notamment ajoutée aux sources de gallium (TEGa) et/ou triméthyl-gallium (TMGa) et d’azote (NH3) pour faire croitre les puits quantiques 220 à base d’InGaN. Le rapport de l’élément précurseur d’Indium (TMIn, TEIn) sur l’ensemble des précurseurs III (TEGa,TMGa et TMIn…) peut être de l’ordre de 0,3. La température de croissance peut être de l’ordre de 800°C. La pression de gaz au sein du réacteur de croissance est par exemple de l’ordre de 100 Torr. Le rapport V/III ou In/III, la pression et la température de croissance peuvent être ajustés en fonction de la conception du réacteur d'épitaxie et de la longueur d'onde d'émission visée. La formation de la partie inférieure 21 et la formation de la région active 22 peuvent se faire avantageusement dans un seul et même réacteur ou bâti de croissance.
L’environnement immédiat au sommet 211 de la partie inférieure 21 peut influer sur la morphologie de croissance. En particulier, la proximité d’autres sommets 211 adjacents peut modifier localement les conditions de croissance de la région active 22, et notamment des puits quantiques 220 à base d’InGaN. Dans le cadre du développement de la présente invention, il est apparu qu’une densité de parties inférieures 21 sous forme de fils élevée, notamment supérieure à 4 µm-2, favorise la croissance des puits quantiques 220 selon des plans xy. Ainsi, la région active 22 formée par MOVPE est confinée au sommet 211 de la partie inférieure 21 de la structure 3D. Les flancs 212 de la partie inférieure 21 peuvent ainsi être au moins en partie dépourvus de région active 22, en particulier de puits quantiques à base d’InGaN, comme le montre l’image STEM HAADF de la . Une structure 3D axiale est ainsi obtenue par MOVPE.
La distance ds entre les sommets 211 de deux parties inférieures 21 adjacentes est un paramètre influant sur la morphologie du dépôt MOVPE permettant de former les régions actives 22. La distance ds correspond typiquement à l’écartement minimal entre les bordures des sommets 211 des deux parties inférieures 21 adjacentes concernées. En particulier, ce dépôt MOVPE peut comprendre une proportion de dépôt axial, i.e. selon z, et une proportion de dépôt radial, i.e. selon une direction normale à z. Ces proportions varient en fonction de la distance ds, comme illustré à la . Cette montre que la courbe expérimentale 6 traçant le rapport des épaisseurs de dépôt radial sur axial décroît brusquement, de façon inattendue, pour des distances ds inférieures ou égales à 200 nm. En particulier, pour une distance ds inférieure à 100 nm, de l’ordre de 90 nm, le point expérimental 61 correspond à un rapport d’épaisseurs de dépôt radial sur axial inférieur à 10%. Le dépôt axial s’entend d’un accroissement d’épaisseur suivant z ; le dépôt radial s’entend d’un accroissement d’épaisseur suivant une direction perpendiculaire à la précédente, en particulier au niveau des flancs des éléments en saillie sur le substrat. Le dépôt est ainsi très majoritairement axial pour cette distance ds entre sommets 211 de l’ordre de 90nm. Ce comportement s’écarte du comportement linéaire attendu représenté par la courbe 60 extrapolée des points expérimentaux 62, 63, 64. La proximité des sommets 211 des parties inférieures 21 des structures 3D favorise clairement et de façon surprenante une croissance axiale des régions actives 22.
Les figures 7 et 8 sont d’autres images de microscopie électronique de ces structures 3D 2 axiales obtenues par MOVPE.
La est une image MEB montrant des structures 3D 2 denses, régulièrement arrangées sur un substrat 1 (non visible) par l’intermédiaire d’une couche de masquage (non visible). Dans cet exemple, les structures 3D présentent un diamètre d’environ 200 nm (pour un diamètre d’ouverture de 50 nm) et une densité surfacique de l’ordre de 10 µm-2.
La est une image STEM HAADF d’une structure 3D axiale parmi la pluralité de structures 3D illustrées à la , vue en coupe. La base 210 enchâssée dans une ouverture de la couche de masquage 12, la partie inférieure 21 principale et la région active 22 comprenant 3 puits quantiques 220 sont clairement visibles.
La région active 22 prend appui sur le sommet 211 de la partie inférieure 21, et présente un sommet 221 apte à recevoir une partie supérieure 23 (non présente sur la structure 3D de la ). La région active 22 peut typiquement présenter une forme de pyramide tronquée ( ). Cette pyramide tronquée peut typiquement présenter une section transverse, dans le plan xy, de forme hexagonale plus ou moins régulière. La région active 22 sous forme de pyramide tronquée comprend ainsi des flancs ou des faces 224 inclinées s’étendant depuis le sommet 211 de la partie inférieure 21 jusqu’au sommet 221. En particulier, ces faces 224 peuvent être au nombre de six. Ces faces 224 peuvent être inclinées de l’ordre de 60° par rapport au plan xy. De telles faces 224 peuvent notamment correspondre à des plans de type {10-11}. Selon une autre possibilité, les faces 224 peuvent être inclinées d’un angle d’environ 80° par rapport au plan xy. Une telle inclinaison des faces 224 coïncide approximativement avec des plans semi-polaires de type {20-21}.
La région active 22 sous forme de pyramide tronquée peut se prolonger sous le sommet 211 de la partie inférieure 21, sous forme d’une collerette 223 par exemple ( ). Cette collerette 223 peut comprendre des facettes en prolongement des faces 224 de la région active 22. Cette collerette 223 forme typiquement avec la partie de la région active 22 en pyramide tronquée, un capuchon recouvrant le sommet 211 de la partie inférieure 21. La collerette 223 permet par exemple d’améliorer la cohésion mécanique entre la partie inférieure 21 et la région active 22. La collerette 223 peut présenter une hauteur significative, de l’ordre du tiers ou de la moitié de la hauteur de la pyramide tronquée par exemple. Elle peut également se prolonger vers la base 210 de la partie inférieure 21, sous forme d’une couche mince de quelques nanomètres, par exemple de l’ordre de 1 à 5 nm, couvrant les flancs 212 de la partie inférieure 21. La collerette 223 n’est pas nécessairement en continuité avec la pyramide tronquée de la région active 22. Elle peut être indépendante de celle-ci.
La répartition d’indium dans la région active 22 est localisée au niveau des puits quantiques 220, tel que le montre la cartographie EDX de l’élément indium présentée à la . L’incorporation d’indium au niveau de la collerette 223 et des flancs 212 de la partie inférieure 21 est faible voire nulle ( ).
Les figures 10A et 10B confirment cette répartition d’indium au sein de la structure 3D axiale crue par MOVPE.
La présente un profil EDX acquis au niveau de la région active 22, le long du profil A matérialisé sur la . Ce profil permet d’obtenir les fractions atomiques (%at) des différents éléments chimiques (O, Si, In, Ga) présents dans la zone d’acquisition du profil. Sur la , la première partie « SiO2 » du profil correspond à la couche de protection en dioxyde de silicium déposée sur le sommet 221 de la structure 3D lors de la préparation d’un échantillon observable par STEM. La deuxième partie « InGaN QW » du profil correspond à la région active 22 de la structure 3D. Trois pics d’indium correspondant à trois puits quantiques d’InGaN dans cette région active 22 sont clairement détectés. La troisième partie « GaN » du profil correspond à la partie inférieure 21 de la structure 3D, sous le sommet 211. La présence d’indium n’est pas décelée. L’indium n’a donc pas diffusé dans la partie inférieure 21.
La présente un profil EDX acquis au niveau d’un flanc 212 de la partie inférieure 21, le long du profil B matérialisé sur la . Ce profil permet d’obtenir les fractions atomiques (%at) des différents éléments chimiques présents dans la zone d’acquisition du profil. Sur la , la première partie « SiO2 » du profil correspond à la couche de protection en dioxyde de silicium déposée sur les flancs 212 de la structure 3D lors de la préparation d’un échantillon observable par STEM. La deuxième partie « In free GaN » du profil correspond à la partie inférieure 21 de la structure 3D, au niveau d’un flanc 212. La présence d’indium n’est pas décelée. L’indium n’a donc pas diffusé sur les flancs 212 de la partie inférieure 21. La structure 3D obtenue par MOVPE présente ainsi clairement une architecture axiale.
Dans le cas d’un dispositif optoélectronique, par exemple une LED, la région active 22 est typiquement surmontée par une partie supérieure 23 à base de GaN, en particulier à base de GaN dopé P. Cette partie supérieure 23 recouvre typiquement la région active 22 et permet d’injecter des porteurs dans la région active 22. La croissance de la partie supérieure 23 sur la région active 22 se fait de préférence par MOVPE. L’épaisseur du dépôt permettant de former cette partie supérieure 23 est de préférence limitée à quelques dizaines de nanomètres, par exemple moins de 100 nm, voire moins de 50 nm, de façon à limiter la réabsorption du rayonnement lumineux émis par la région active 22.
La illustre des structures 3D axiales crues par MOVPE comprenant chacune une partie inférieure 21, une région active 22, et une partie supérieure 23, 23b.
Cette partie supérieure 23 peut s’étendre uniquement sur le sommet 221 de la région active 22. Alternativement, la partie supérieure 23, 23b s’étend en partie sur le sommet 221 de la région active 22, et en partie sur les flancs de la région active 22 et sur les flancs 212 de la partie inférieure 21 sous le sommet 211, tel qu’illustré à la .
Les figures 12A, 12B et 12C présentent différents profils EDX acquis sur les structures 3D axiales illustrées à la .
La présente une image STEM d’une structure 3D et un profil EDX acquis le long du profil a matérialisé sur ladite image STEM, au travers de la partie supérieure 23 et de la région active 22 de la structure 3D. Ce profil permet d’obtenir les fractions atomiques (%at) des différents éléments chimiques présents dans la zone d’acquisition du profil. Sur la , la première partie « dépôt de protection » du profil correspond à la couche de protection déposée autour de la structure 3D lors de la préparation d’un échantillon observable par STEM. La deuxième partie « AlGaN» du profil correspond à la partie supérieure 23 de la structure 3D. La troisième partie « InGaN » du profil correspond à la région active 22 de la structure 3D. La quatrième partie « GaN » du profil correspond à la partie inférieure 21 de la structure 3D, sous le sommet 211.
La présente une image STEM d’une structure 3D et un profil EDX acquis le long du profil b matérialisé sur ladite image STEM, au travers de la partie supérieure 23b de la structure 3D. Ce profil permet d’obtenir les fractions atomiques (%at) des différents éléments chimiques présents dans la zone d’acquisition du profil. Sur la , la partie « dépôt de protection » du profil correspond à la couche de protection déposée autour de la structure 3D lors de la préparation d’un échantillon observable par STEM. Les parties « GaN» et « AlGaN » du profil correspondent à la partie supérieure 23b de la structure 3D. La partie « InGaN » du profil correspond à la détection de traces d’indium entre la partie supérieure 23b et la partie inférieure 21 de la structure 3D. La partie « GaN » du profil correspond à la partie inférieure 21 de la structure 3D, sous le sommet 211.
La présente une image STEM d’une structure 3D et un profil EDX acquis le long du profil c matérialisé sur ladite image STEM, au travers d’un flanc 212 de la partie inférieure 21 de la structure 3D. Ce profil permet d’obtenir les fractions atomiques (%at) des différents éléments chimiques présents dans la zone d’acquisition du profil. Sur la , la partie « dépôt de protection » du profil correspond à la couche de protection déposée autour de la structure 3D lors de la préparation d’un échantillon observable par STEM. La partie « GaN (In free) (Al free) » du profil correspond à la partie inférieure 21 de la structure 3D. La présence d’indium et d’aluminium n’est pas décelée. L’indium et l’aluminium n’ont donc pas diffusé tout le long des flancs 212 de la partie inférieure 21. Cette structure 3D obtenue par MOVPE selon ce deuxième exemple présente également une architecture axiale.
Les exemples qui suivent se placent dans le cadre de l’approche « top-down ».
Selon cette approche « top-down », les parties inférieures 21 peuvent être obtenues à partir d’une couche bidimensionnelle (2D), par exemple à base de GaN, préalablement formée. De façon connue, des motifs denses définissant sensiblement, en projection selon z, les parties inférieures 21 sont formés par lithographie sur la couche 2D. Une gravure selon z de cette couche 2D permet ensuite de former la pluralité de parties inférieures 21. Les parties inférieures 21 obtenues par gravure peuvent se présenter sous forme de fils orientés selon z, avec un rapport d’aspect h/Φ>1, ou sous forme de mésas, avec un rapport d’aspect h/Φ≤1. La gravure est ici configurée de sorte que les sommets 211 de deux parties inférieures 21 adjacentes sont séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure à 180 nm. Cela permet de former la région active 22 sur les sommets des parties inférieures 21 par MOVPE, selon une architecture axiale. Ainsi, selon l’invention, l’approche « top-down » peut être mise en œuvre pour l’obtention des parties inférieures 21. Ensuite, la formation des régions actives 22, puis des parties supérieures 23, est effectuée par MOVPE comme pour l’approche « bottom-up » décrite précédemment, en respectant une distance de séparationdsinférieure à 180 nm entre les sommets 211 de deux parties inférieures 21 adjacentes. Cela permet d’obtenir une architecture axiale par MOVPE, sans créer de défauts sur les flancs ou les faces 224 des régions actives. Ainsi, en combinant le principe de l’invention avec une formation des parties inférieures selon l’approche « top-down », les diamètres des parties inférieures 21 peuvent être significativement augmentés. Le rapport d’aspect h/Φ des parties inférieures 21 peut être inférieur à 1, voire très inférieur à 1. La couche de masquage peut être supprimée.
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.
Claims (16)
- Procédé de fabrication d’une pluralité de structures tridimensionnelles (3D) (2) pour l’optoélectronique, chaque structure 3D comprenant, en empilement selon une direction longitudinale (z) :
- une partie inférieure (21) comprenant une base (210) prenant appui sur un substrat (1),
- une région active (22) configurée pour émettre ou recevoir un rayonnement lumineux, ladite région active (22) prenant appui sur un sommet (211), opposé à la base (210), de la partie inférieure (21), et
- une partie supérieure (23) prenant appui sur un sommet (221) de la région active (22),
- Une fourniture d’un substrat (1) portant une pluralité de parties inférieures (21) de structures 3D, lesdites parties inférieures (21) présentant des sommets (211) distincts tels que les sommets (211) de deux parties inférieures (21) adjacentes sont séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure à 180 nm,
- Une formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) des régions actives sur les sommets (211) des parties inférieures (21),
- Une formation des parties supérieures (23) sur les sommets (221) des régions actives (22).
- Procédé selon la revendication précédente dans lequel la formation par MOVPE des régions actives (22) comprend un dépôt dit axial s’effectuant selon la direction longitudinale (z) et un dépôt dit radial s’effectuant selon une direction (x, y) normale à la direction longitudinale (z), et dans lequel une épaisseur du dépôt radial est inférieure ou égale à 10% d’une épaisseur du dépôt axial.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes configuré pour que la partie inférieure (21) présente des flancs (212) dépourvus de région active (22).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la distance de séparationdsest inférieure ou égale à 100 nm.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les parties inférieures (21) sont distribuées au sein de la pluralité de façon à présenter une densité surfacique supérieure ou égale à 4 µm-2.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, configuré pour que la région active (22) s’étende uniquement à partir du sommet (211) de la partie inférieure (21).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les parties inférieures (21) et les parties supérieures (23) sont choisies à base de GaN et la région active (22) est choisie à base d’InGaN.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la région active (22) comprend au moins un puits quantique (220) à base d’InGaN, ou une couche d’InGaN d’épaisseur supérieure à 5nm, ou un ensemble de boites quantiques à base d’InGaN.
- Procédé selon la revendication précédente dans lequel la formation de l’au moins un puits quantique (220) à base d’InGaN se fait à une température supérieure ou égale à 700°C.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la région active (22) s’étend de façon transverse à la direction longitudinale (z).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la partie inférieure (21) s’étend selon la direction longitudinale (z) de sorte que chaque structure 3D présente une forme de fil
ledit procédé comprenant en outre :- Une fourniture d’un substrat (1) comprenant au moins une couche (11) superficielle,
- Une formation d’une couche de masquage (12) sur le substrat (1), ladite couche de masquage (12) comprenant des ouvertures (120) au travers desquelles sont exposées des zones de la couche (11) superficielle,
- Une formation, à partir des zones exposées de la couche (11) superficielle, des parties inférieures sous forme de fils (21), les bases (210) desdites parties inférieures prenant appui sur la couche (11) superficielle du substrat (1), au travers des ouvertures (120),
- La formation par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques (MOVPE) des régions actives sur les sommets (211) des parties inférieures (21),
- La formation des parties supérieures (23) sur les sommets (221) des régions actives (22).
- Dispositif optoélectronique comprenant une pluralité de structures tridimensionnelles (3D) (2) présentant une forme de fil et comprenant chacune :
- une partie inférieure (21) s’étendant selon une direction longitudinale (z) et comprenant une base (210) prenant appui sur un substrat (1),
- une région active (22) configurée pour émettre ou recevoir un rayonnement lumineux, ladite région active (22) prenant appui sur un sommet (211), opposé à la base (210), de la partie inférieure (21), et
- une partie supérieure (23) prenant appui sur un sommet (221) de la région active (22),
- Dispositif selon la revendication précédente dans lequel les sommets (211) des parties inférieures (21) des structures 3D (2) sont séparés entre eux par une distance de séparationdsinférieure ou égale à 100 nm.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 12 à 13 dans lequel les bases (210) présentent un diamètre inférieur à un diamètre des sommets (211) des parties inférieures (21), de préférence au moins 10% inférieur.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 12 à 14 dans lequel la région active (22) s’étend uniquement à partir du sommet (211) de la partie inférieure (21).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 12 à 15 dans lequel la région active (22) présente une forme pyramidale tronquée
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