EP3472872A1 - Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium - Google Patents

Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium

Info

Publication number
EP3472872A1
EP3472872A1 EP17734786.1A EP17734786A EP3472872A1 EP 3472872 A1 EP3472872 A1 EP 3472872A1 EP 17734786 A EP17734786 A EP 17734786A EP 3472872 A1 EP3472872 A1 EP 3472872A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
gallium nitride
nanowires
epitaxy
gan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17734786.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ivan-Christophe Robin
Matthew Charles
Yohan Desieres
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3472872A1 publication Critical patent/EP3472872A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
    • H10H20/0133—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials
    • H10H20/01335—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials the light-emitting regions comprising nitride materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/018—Bonding of wafers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/817—Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/817—Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H10H20/818—Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous within the light-emitting regions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/819—Bodies characterised by their shape, e.g. curved or truncated substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/819—Bodies characterised by their shape, e.g. curved or truncated substrates
    • H10H20/82—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/819—Bodies characterised by their shape, e.g. curved or truncated substrates
    • H10H20/821—Bodies characterised by their shape, e.g. curved or truncated substrates of the light-emitting regions, e.g. non-planar junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/84—Coatings, e.g. passivation layers or antireflective coatings
    • H10H20/841—Reflective coatings, e.g. dielectric Bragg reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
    • H10H20/0137—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials the light-emitting regions comprising nitride materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/034—Manufacture or treatment of coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/872—Periodic patterns for optical field-shaping, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • the present application relates to the field of optoelectronic devices. It relates more particularly to the production of light emitting diodes (LEDs) to gallium nitride (GaN).
  • LEDs light emitting diodes
  • GaN gallium nitride
  • a GaN LED consists essentially of a planar active stack of an N-type doped GaN layer or cathode layer, of an emissive layer with one or more quantum wells placed on and in contact with the layer.
  • a problem that arises is that some of the photons generated in the emitting layer are emitted in propagation directions forming with the normal at the stack an angle greater than the limit angle of total reflection on the upper and lower faces of the stack. These photons then remain confined within the LED, which limits the light output of the LED.
  • micro-structuring on the output face of the LED can be formed by chemical etching or by lithography and etching of the output face of the LED, after the formation of the active stack of the LED, or by texturing of the growth substrate prior to the formation of the LED. active stacking of the LED.
  • these methods have the disadvantage of degrading at least one layer of the LED, which can lead to degrade some of the characteristics of the LED, and / or to present limitations as to the form factors and / or the dimensions of the structures that can be performed.
  • an embodiment provides a method of manufacturing a gallium nitride light emitting diode, comprising the following successive steps:
  • a gallium nitride light emitting diode planar active stack having first and second doped gallium nitride layers of opposite conductivity types and, between the first and second gallium nitride layers, an emissive layer with one or more quantum wells;
  • the nanowires are made of gallium nitride.
  • the growth of the nanowires is carried out by vapor phase epitaxy in a silane-containing atmosphere.
  • the nanowires are made of zinc oxide.
  • the growth of the nanowires is carried out in a chemical bath.
  • the method further comprises forming a reflective structure on the side of the second layer of gallium nitride opposite the emissive layer.
  • the reflective structure is a Bragg mirror comprising only materials having a melting point greater than 1100 ° C.
  • the reflective structure is a metal layer.
  • step a) comprises a step of depositing the planar active stack by epitaxy on a growth substrate, and a step of transferring the planar active stack to a substrate for supporting and removing the growth substrate.
  • the thickness of the first layer of gallium nitride between the emitting layer and the base of the nanowires is less than the emission wavelength of the emitting layer.
  • the nanowires have a frustoconical shape of diameter gradually increasing away from the first layer of gallium nitride.
  • gallium nitride electroluminescent diode comprising:
  • planar active multilayer diode electro ⁇ luminescent gallium nitride having first and second gallium nitride doped layers of opposite conductivity type and, between the first and second gallium nitride layers, an emissive layer one or more wells quantum; and a plurality of nanowires disposed on the surface of the first layer of gallium nitride opposite the emissive layer.
  • the nanowires are made of gallium nitride or zinc oxide.
  • the nanowires have a frustoconical shape of diameter gradually increasing away from the first layer of gallium nitride.
  • the thickness of the first layer of gallium nitride between the emitting layer and the base of the nanowires is less than the emission wavelength of the emitting layer.
  • FIGS. 1A, 1B, 1C are sectional views illustrating steps of an example of an embodiment of a method for manufacturing a GaN LED
  • Figures 2A, 2B, 2C are sectional views illustrating steps of an alternative embodiment of the method of Figures 1A, 1B, 1C;
  • FIG. 3 is a sectional view illustrating another variant embodiment of a method for manufacturing an LED at
  • Figure 4 is a sectional view illustrating another alternative embodiment of a method of manufacturing a LEC GaN.
  • a method for producing a GaN LED comprising, after the formation of a planar active GaN LED stack, a step of growing nanowires on the face. output of the active stack of the LED.
  • the nanowire growth step does not cause any degradation of the previously formed layers of the active stack of the LED.
  • nanowires are particularly suitable structures for improving light extraction and / or controlling the emission directivity of a GaN LED.
  • nanowires are understood to mean yarns with a diameter of less than one micrometer, for example with a diameter of between 50 and 250 nm, and a length or height that may reach several micrometers, for example between 0.5 and 15 ⁇ m in length.
  • FIGS. 1A, 1B, 1C are sectional views illustrating steps of an example of an embodiment of a method for manufacturing a GaN LED.
  • FIG. 1A illustrates a formation step, on the upper face of a growth substrate 101, of a planar active stack 103 of GaN LEDs.
  • the substrate 101 is, for example, a substrate made of sapphire, corundum, silicon, or any other material on which a stack of gallium nitride-based layers can be deposited.
  • the GaN 103 active LED stack comprises, in order from the upper surface of the substrate, an N-type doped GaN layer or cathode layer 103a, an emitting layer 103b, and a layer doped GaN type P or anode layer 103c.
  • the emitting layer 103b is for example constituted by a stack of one or more emitting layers each forming a quantum well, for example based on GaN, InN, InGaN, AlGaN, AIN, AUnGaN , GaP, AlGaP or AlInGaP, and being each disposed between two barrier layers, for example based on GaN.
  • the lower face of the emitting layer 103b is in contact with the upper face of the cathode layer 103a
  • the upper face of the emitting layer 103b is in contact with the lower face of the anode layer 103c.
  • the stack 103 is adapted to emit photons from its emitting layer 103b when it is traversed by a current flowing from its anode layer 103c to its cathode layer 103a.
  • the active stack 103 is for example deposited by epitaxy on the growth substrate 101.
  • a buffer layer not shown, for example made of an AlN-GaN alloy, can interface between the growth substrate 101 and the lower GaN layer 103a. stacking.
  • FIG. 1B illustrates a step of transferring the active stack of LEDs to GaN 103 on a support substrate 105, for example a substrate made of sapphire, corundum, silicon, glass, etc., and then removing the substrate from During this step, the assembly comprising the growth substrate 101 and the active stack 103 can be turned over so as to orient the upper face (in the orientation of FIG. 1A) of the anode layer. 103c towards the upper face of the support substrate 105.
  • a reflective planar structure 107 is formed on the upper face of the support substrate 105 or on the upper face (in the orientation of FIG. 1A) of the layer 103c .
  • the reflecting structure 107 interfaces between the lower face of the layer 103c and the upper face of the substrate 105.
  • the growth substrate 101 is removed so as to discover the upper surface of the the layer of gallium nitride 103a.
  • the substrate 101 is for example removed by grinding and / or etching from its face opposite to the active stack 103.
  • the substrate 101 can be detached from the active stack 103 by means of a laser beam projected through the substrate 101 from its face opposite to the active stack 103 (by a laser lift-off method). More generally, any other method for removing the growth substrate 101 may be used.
  • an additional etching step may be provided to remove any buffer layers remaining on the upper side of the gallium nitride layer 103a.
  • part of the thickness of the gallium nitride layer 103a can be removed, for example by etching.
  • the output face of the GaN LED is its face opposite to the support substrate 105, corresponding to the upper face of the cathode layer 103a in the example shown.
  • the support substrate 105 may be transparent or opaque.
  • the function of the structure 107 is to reflect, towards the exit face of the LED, any photons emitted by the layer 103b towards the support substrate 105, in order to increase the luminous efficiency of the LED.
  • the reflective structure 107 is for example a Bragg mirror consisting of a stack of dielectric layers adapted to withstand high temperatures, for example greater than 1100 ° C. This advantageously allows the structure 107 to be able to support without degrading a subsequent step (FIG.
  • the reflecting structure comprises alternating layers of T1O2 (melting point of the order of 1800 ° C) and S1O2 (melting point of the order of 1700 ° C).
  • the upper layer of the structure 107, in contact with the lower face of the anode layer 103c, is preferably a conductive layer, for example a layer of ITO (indium tin oxide - melting point of the order 1500 to 1900 ° C), which advantageously facilitates the taking of an electrical contact on the anode layer 103c and improve the homogeneity of the electric current injected into the LED.
  • ITO indium tin oxide - melting point of the order 1500 to 1900 ° C
  • FIG. 1C illustrates a step subsequent to the step of FIG. 1B, during which nanowires 109 of GaN are grown on the upper face of the cathode layer 103a.
  • the nanowires 109 are formed by resumption of epitaxy on the upper face of the layer 103a.
  • the epitaxy conditions are selected capable of causing the growth of nanowires on the upper face of the layer 103a, in a direction substantially orthogonal to the upper face of the layer 103a.
  • the planar active stack previously produced is preferably such that, in the orientation of FIGS. 1B and 1C, the upper face of the GaN layer 103a (that is to say its face opposite the emitting layer 103b) is of nitrogen polarity.
  • the growth of GaN nanowires on a GaN substrate is indeed easier on the nitrogen polarity side of the substrate than on its gallium polarity side.
  • the growth of the nanowires 109 is, for example, made by MOVPE (metal-organic vapor phase epitaxy) in an atmosphere containing silane, for example at a temperature of about 1050.degree. ° C.
  • a mask having openings defining the growth zones of the nanowires 109 may optionally be formed on the upper face of the layer 103a prior to the step of growing the nanowires.
  • Anode and cathode contact metallizations may be formed in electrical contact respectively with the anode 103c and cathode 103a layers of the LED.
  • an anode contact can be taken from the upper face of the structure, in a peripheral zone of the LED not comprising the active layer 103b, the cathode layer 103a and the nanowires 109.
  • cathode can be taken from the upper face of the structure, in a peripheral zone of the LED does not include the nanowires 109.
  • an optoelectronic device comprising a plurality of identical or similar LEDs arranged on the same support substrate 105, for example to realize a display device of micro-screen type.
  • the dimensions and the positioning of the nanowires 109 may be adjusted according to the desired extraction characteristics and / or emission directivity.
  • this diameter can be calculated according to the teachings described in the book entitled "Optical Waveguide Theory" by AW Snyder and J. Love. This makes it possible to obtain a good emission directivity of the LED.
  • the wire diameter 109 may be of the order of 130 nm, with a distance between neighboring nanowires of at least 260 nm.
  • the thickness of the GaN layer 103a between the emitting layer 103b and the nanowires 109 is less than the emission wavelength of the emitting layer 103b.
  • the LED in the GaN (divided by the refractive index of GaN), for example at least ten times lower than the emission wavelength of the LED in the GaN.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C are sectional views illustrating steps of an alternative embodiment of the method of FIGS. 1A, 1B, 1C, making it possible to facilitate the control of the thickness of the N-type doped GaN layer; extending between the emitting layer 103b and the nanowires 109.
  • This method comprises elements common with the method of FIGS. 1A, 1B, 1C. In the following, only the differences between the two processes will be highlighted.
  • FIG. 2A illustrates a step similar to the step described in relation to FIG. 1A, of formation, on the upper face of a growth substrate 101, of a stack 203 which differs from the stack 103 of FIG. 1A essentially in that, in the stack 203, the layer 103a of FIG. 1A is replaced by a stack 203a comprising, in order from the upper face of the substrate 101, a first N-type doped GaN layer 203a ] , an etch stop layer 203a2, and a second N-type doped GaN layer 203a3.
  • the active GaN LED stack is formed by the layers 203a3 (cathode layer), 103b (FIG. emitting layer) and 103c (anode layer).
  • the main function of the GaN layer 203a ] is to improve the mechanical strength and the quality of the epitaxy of the active stack.
  • the layer 203a2 is made of a material different from the GaN, for example aluminum nitride (AlN), and has the particular function of serving as an etch stop layer in a subsequent step (FIG. the layer of GaN 203a !.
  • FIG. 2B illustrates a step similar to the step described in relation with FIG. 1B, of transfer of the stack 203 on a support substrate 105, and then of withdrawal of the growth substrate 101.
  • the GaN 203a ] _ and the etch stop layer 203a2 are further removed so as to discover the upper face of GaN layer 203a3-
  • the removal of layer 203a ] _ is for example carried out by etching ICP-RIE (from English "Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching" - inductively coupled ionic reactive plasma etching).
  • the removal of the layer 203a2 can also be carried out by chlorinated ICP-RIE etching, with detection of gallium by mass spectroscopy to stop the etching on the upper face of the layer 203a3.
  • FIG. 2C illustrates a step subsequent to the step of FIG. 2B, similar to the step described in relation with FIG. 1C, during which GaN nanowires 109 are grown on the upper face of the cathode layer.
  • Figure 3 illustrates an alternative embodiment of the method of Figures 1A, 1B, 1C.
  • This method comprises, for example, the same initial steps (FIGS. 1A and 1B) as in the example described with reference to FIGS. 1A, 1B, 1C, but differs from this example mainly in the shape of the GaN nanowires 109 made on the face the top of the cathode layer 103a of the LED.
  • the nanowires 109 have a frustoconical shape of diameter increasing progressively as one moves away from the upper face of the layer 103a. The progressive widening of the nanowires makes it possible to release the radial confinement of the electromagnetic field, thus limiting the diffraction at the end of the wire.
  • Such a frustoconical shape can for example be obtained by progressively reducing the epitaxial temperature as the nanowires grow, for example from a temperature of about 1050 ° C. at the beginning of epitaxy to a temperature of the order of 900 ° C at the end of epitaxy.
  • the distance between neighboring nanowires at the base of nanowires may be chosen greater or of the same order as the diameter of the nanowires at the end of the nanowires opposite to the layer 103a, and typically greater than 1 3 times the diameter of the wire at the level of the upper face of the layer 103.
  • the diameter of the nanowires 109 may be as follows: order of 130 nm at the base, and of the order of 1 ⁇ m at the opposite end to the layer 103a, with a distance between neighboring nanowires of the order of 1 ⁇ m.
  • the nanowires 109 may optionally coalesce at their opposite end to the layer 103a, so as to form a substantially flat continuous surface at their end opposite the layer 103a.
  • a transparent conductive layer for example made of ITO, or semitransparent, for example of metal, can be formed on and in contact with the upper surface of the nanowires, which advantageously makes it easier to take a contact electrical cathode and improve the homogeneity of the current injected into the LED.
  • Figure 4 illustrates another alternative embodiment of the method of Figures 1A, 1B, 1C.
  • This method comprises for example the same initial steps (FIGS. 1A and 1B) as in the example described with reference to FIGS. 1A, 1B, 1C, but differs from this example mainly in that, in the example of FIG. , the GaN nanowires 109 formed on the upper face of the cathode layer 103a are replaced by nanowires 409 zinc oxide (ZnO).
  • the growth of zinc oxide nanowires 409 is carried out in a low temperature chemical bath, for example at a temperature of between 60 and 150 ° C.
  • the growth of zinc oxide nanowires 409 is, for example, carried out by a process of the type described in the article entitled "Selective Area Growth of Well-Ordered ZnO Nanowire Arrays with Controllable Polarity" by Vincent Consonni et al. (ACS Nano, 2014, 8 (5), pp 4761-4770).
  • An advantage of the embodiment of Figure 4 is not to require a step of high temperature epitaxy to form the nanowires on the upper face of the LED.
  • the reflective structure 107 can then be formed by a single reflective metal layer, for example an indium-silver alloy. This makes it possible at the same time to obtain a good reflection coefficient of the photons, to take good quality electrical contact on the anode layer 103c, and to simplify the production of the structure 107 (with respect to the prediction of a mirror of Bragg).
  • FIGS. 3 and 4 can be adapted to the method of FIGS. 2A, 2B, 2C.
  • the conductivity types of the gallium nitride layers 103a, 203a3 (N type in the examples described) and 103c (P type in the examples described) can be reversed, the anode and cathode regions of the LEDs are then also reversed.
  • the described embodiments are not limited to the aforementioned examples in which the GaN LED active stack is made on a growth substrate 101, then transferred to a support substrate 105.
  • the substrate starting point may be a self-supporting GaN substrate, for example doped N-type, on one side of which the active stack 103 is epitaxial.
  • the active stack 103 is formed on the nitrogen polarity of the substrate .
  • GaN nanowires can be formed directly on the face of the active stack opposite to the substrate, which is a face of nitrogen polarity.
  • a reflective metal for example silver
  • this metal may be deposited before the growth of the nanowires over the entire surface of the layer 103a, and then removed locally in the growth zones of the nanowires.
  • the reflective metal may be deposited on the entire surface of the LED after the production of the nanowires 109, 409, for example by a conformal deposition method, then a directional etching step may be implemented to remove the metal on the upper surface of nanowires 109, 409.
  • the nanowires 109 are GaN
  • the layer 103b may be adapted to emit blue light
  • quantum wells adapted to convert yellow light part of the blue light emitted by the LED may be formed around the nanowires 109, so as to get an LED emitting white light.

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente au nitrure de gallium, comprenant les étapes successives suivantes : a) former un empilement actif planaire (103) de diode électroluminescente au nitrure de gallium comportant des première (103a) et deuxième (103c) couches de nitrure de gallium dopées de types de conductivité opposés et, entre les première (103a) et deuxième (103c) couches de nitrure de gallium, une couche émissive (103b) à un ou plusieurs puits quantiques; et b) faire croitre des nanofils (109) sur la surface de la première couche (103a) de nitrure de gallium opposée à la couche émissive (103b).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D ' UNE DIODE ELECTROLUMINESCENTE AU
NITRURE DE GALLIUM
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR16/55678 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne le domaine des dispositifs optoélectroniques. Elle concerne plus particulièrement la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs) au nitrure de gallium (GaN) .
Exposé de 1 ' art antérieur
De façon classique, une LED au GaN est essentiellement constituée par un empilement actif planaire d'une couche de GaN dopé de type N ou couche de cathode, d'une couche émissive à un ou plusieurs puits quantiques disposée sur et en contact avec la couche de GaN dopée de type N, et d'une couche de GaN dopé de type P ou couche d'anode disposée sur et en contact avec la couche émissive. Le fonctionnement d'une telle LED repose sur l'émission de photons par recombinaison de paires électron-trou injectées électriquement dans la couche émissive.
Un problème qui se pose est que certains des photons générés dans la couche émissive sont émis selon des directions de propagation formant avec la normale à l'empilement un angle supérieur à l'angle limite de réflexion totale sur les faces supérieure et inférieure de l'empilement. Ces photons restent alors confinés à l'intérieur de la LED, ce qui limite le rendement lumineux de la LED.
Pour améliorer l'extraction lumineuse et/ou contrôler la directivité d'émission d'une LED au GaN, il a déjà été proposé de réaliser des micro-structurations sur la face de sortie de la LED. Ces micro-structurations peuvent être formées par attaque chimique ou par lithographie et gravure de la face de sortie de la LED, après la formation de l'empilement actif de la LED, ou encore par texturation du substrat de croissance préalablement à la formation de l'empilement actif de la LED. Ces méthodes ont toutefois pour inconvénients de dégrader au moins une couche de la LED, ce qui peut conduire à dégrader certaines des caractéristiques de la LED, et/ou de présenter des limitations quant aux facteurs de forme et/ou aux dimensions des structurations pouvant être réalisées.
Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente au nitrure de gallium, comprenant les étapes successives suivantes :
a) former un empilement actif planaire de diode électroluminescente au nitrure de gallium comportant des première et deuxième couches de nitrure de gallium dopées de types de conductivité opposés et, entre les première et deuxième couches de nitrure de gallium, une couche émissive à un ou plusieurs puits quantiques ; et
b) faire croître des nanofils sur la surface de la première couche de nitrure de gallium opposée à la couche émissive.
Selon un mode de réalisation, les nanofils sont en nitrure de gallium.
Selon un mode de réalisation, la croissance des nanofils est réalisée par épitaxie en phase vapeur dans une atmosphère contenant du silane. Selon un mode de réalisation, les nanofils sont en oxyde de zinc.
Selon un mode de réalisation, la croissance des nanofils est réalisée dans un bain chimique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la formation d'une structure réfléchissante du côté de la face de la deuxième couche de nitrure de gallium opposée à la couche émissive.
Selon un mode de réalisation, la structure réflé- chissante est un miroir de Bragg comportant uniquement des matériaux ayant un point de fusion supérieur à 1100°C.
Selon un mode de réalisation, la structure réfléchissante est une couche métallique.
Selon un mode de réalisation, l'étape a) comprend une étape de dépôt de l'empilement actif planaire par épitaxie sur un substrat de croissance, et une étape de report de l'empilement actif planaire sur un substrat de support et de retrait du substrat de croissance.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la première couche de nitrure de gallium entre la couche émissive et la base des nanofils est inférieure à la longueur d'onde d'émission de la couche émissive.
Selon un mode de réalisation, les nanofils ont une forme tronconique de diamètre augmentant progressivement en s 'éloignant de la première couche de nitrure de gallium.
Un autre mode de réalisation prévoit une diode électro¬ luminescente au nitrure de gallium, comprenant :
un empilement actif planaire de diode électro¬ luminescente au nitrure de gallium comportant des première et deuxième couches de nitrure de gallium dopées de types de conductivité opposés et, entre les première et deuxième couches de nitrure de gallium, une couche émissive à un ou plusieurs puits quantiques ; et une pluralité de nanofils disposés sur la surface de la première couche de nitrure de gallium opposée à la couche émissive .
Selon un mode de réalisation, les nanofils sont en nitrure de gallium ou en oxyde de zinc.
Selon un mode de réalisation, les nanofils ont une forme tronconique de diamètre augmentant progressivement en s 'éloignant de la première couche de nitrure de gallium.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la première couche de nitrure de gallium entre la couche émissive et la base des nanofils est inférieure à la longueur d'onde d'émission de la couche émissive.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et leurs avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
les figures 1A, 1B, 1C sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une LED au GaN ;
les figures 2A, 2B, 2C sont des vues en coupe illustrant des étapes d'une variante de réalisation du procédé des figures 1A, 1B, 1C ;
la figure 3 est une vue en coupe illustrant une autre variante de réalisation d'un procédé de fabrication d'une LED au
GaN ; et
la figure 4 est une vue en coupe illustrant une autre variante de réalisation d'un procédé de fabrication d'une LEC au GaN.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des métallisations de contact sur les couches d'anode et de cathode des LEDs au GaN n'a pas été représentée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les méthodes de réalisation et les dispositions usuelles des métallisations de contact d'anode et de cathode de LEDs au GaN. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence, sauf indication contraire, à l'orientation des vues en coupe correspondantes, étant entendu que, dans la pratique, les structures décrites peuvent être orientées différemment. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Selon un aspect d'un mode de réalisation, on prévoit un procédé de réalisation d'une LED au GaN, comportant, après la formation d'un empilement actif planaire de LED au GaN, une étape consistant à faire croître des nanofils sur la face de sortie de l'empilement actif de la LED. Un avantage est que l'étape de croissance de nanofils n' entraine aucune dégradation des couches préalablement formées de l'empilement actif de la LED. De plus, les nanofils constituent des structurations particulièrement adaptées à l'amélioration de l'extraction lumineuse et/ou au contrôle de la directivité d'émission d'une LED au GaN. On entend ici par nanofils des fils de diamètre inférieur au micromètre, par exemple de diamètre compris entre 50 et 250 nm, et de longueur ou hauteur pouvant atteindre plusieurs micromètres, par exemple de longueur comprise entre 0,5 et 15 um.
Les figures 1A, 1B, 1C sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une LED au GaN. La figure 1A illustre une étape de formation, sur la face supérieure d'un substrat de croissance 101, d'un empilement actif planaire 103 de LED au GaN. Le substrat 101 est par exemple un substrat en saphir, en corindon, en silicium, ou en tout autre matériau sur lequel un empilement de couches à base de nitrure de gallium peut être déposé. Dans cet exemple, l'empilement actif de LED au GaN 103 comprend, dans l'ordre à partir de la surface supérieure du substrat, une couche de GaN dopé de type N ou couche de cathode 103a, une couche émissive 103b, et une couche de GaN dopé de type P ou couche d'anode 103c. La couche émissive 103b est par exemple constituée par un empilement d'une ou plusieurs couches émissives formant chacune un puit quantique, par exemple à base de GaN, d'InN, d'InGaN, d'AlGaN, d'AIN, d'AUnGaN, de GaP, d'AlGaP ou d'AlInGaP, et étant chacune disposée entre deux couches barrière, par exemple à base de GaN. Dans cet exemple, la face inférieure de la couche émissive 103b est en contact avec la face supérieure de la couche de cathode 103a, et la face supérieure de la couche émissive 103b est en contact avec la face inférieure de la couche d'anode 103c. L'empilement 103 est adapté à émettre des photons à partir de sa couche émissive 103b lorsqu'il est traversé par un courant circulant de sa couche d'anode 103c vers sa couche de cathode 103a. L'empilement actif 103 est par exemple déposé par épitaxie sur le substrat de croissance 101. Une couche tampon non représentée, par exemple en un alliage AIN-GaN, peut faire interface entre le substrat de croissance 101 et la couche de GaN inférieure 103a de l'empilement.
La figure 1B illustre une étape de report de l'empilement actif de LED au GaN 103 sur un substrat de support 105, par exemple un substrat en saphir, en corindon, en silicium, en verre, etc., puis de retrait du substrat de croissance 101. Lors de cette étape, l'ensemble comportant le substrat de croissance 101 et l'empilement actif 103 peut être retourné, de façon à orienter la face supérieure (dans l'orientation de la figure 1A) de la couche d'anode 103c vers la face supérieure du substrat de support 105. Dans l'exemple représenté, préalablement au report de l'empilement actif 103 sur le substrat de support 105, une structure planaire réfléchissante 107 est formée sur la face supérieure du substrat de support 105 ou sur la face supérieure (dans l'orientation de la figure 1A) de la couche 103c. Ainsi, à l'issue du report, la structure réfléchissante 107 fait interface entre la face inférieure de la couche 103c et la face supérieure du substrat 105. Après le report, le substrat de croissance 101 est retiré de façon à découvrir la face supérieure de la couche de nitrure de gallium 103a. Le substrat 101 est par exemple retiré par meulage et/ou gravure à partir de sa face opposée à l'empilement actif 103. A titre de variante, dans le cas d'un substrat 101 transparent, par exemple un substrat en saphir ou en corindon, le substrat 101 peut être détaché de l'empilement actif 103 au moyen d'un faisceau laser projeté à travers le substrat 101 depuis sa face opposée à l'empilement actif 103 (par un procédé de type laser lift-off) . Plus généralement, toute autre méthode permettant de retirer le substrat de croissance 101 peut être utilisée. Après le retrait du substrat 101, une étape supplémentaire de gravure peut être prévue pour retirer d'éventuelles couches tampon subsistant du côté de la face supérieure de la couche de nitrure de gallium 103a. En outre, une partie de l'épaisseur de la couche de nitrure de gallium 103a peut être retirée, par exemple par gravure.
Dans cet exemple, la face de sortie de la LED au GaN est sa face opposée au substrat de support 105, correspondant à la face supérieure de la couche de cathode 103a dans l'exemple représenté. Le substrat de support 105 peut être transparent ou opaque. La structure 107 a pour fonction de réfléchir, vers la face de sortie de la LED, d'éventuels photons émis par la couche 103b en direction du substrat de support 105, ceci afin d'augmenter le rendement lumineux de la LED. La structure réfléchissante 107 est par exemple un miroir de Bragg constitué d'un empilement de couches diélectriques adaptées à supporter des températures élevées, par exemple supérieures à 1100°C. Ceci permet avantageusement à la structure 107 de pouvoir supporter sans dégradation une étape ultérieure (figure 1C) de croissance de nanofils sur la face supérieure de la couche 103a, réalisée par épitaxie à haute température. A titre d'exemple, la structure réfléchissante comprend une alternance de couches de T1O2 (point de fusion de l'ordre de 1800 °C) et de S1O2 (point de fusion de l'ordre de 1700°C) . La couche supérieure de la structure 107, en contact avec la face inférieure de la couche d'anode 103c, est de préférence une couche conductrice, par exemple une couche d'ITO (oxyde d'indium étain - point de fusion de l'ordre de 1500 à 1900°C) , ce qui permet avantageusement de faciliter la prise d'un contact électrique sur la couche d'anode 103c et d'améliorer l'homogénéité du courant électrique injecté dans la LED.
La figure 1C illustre une étape postérieure à l'étape de la figure 1B, au cours de laquelle on fait croître des nanofils 109 de GaN sur la face supérieure de la couche de cathode 103a. Les nanofils 109 sont formés par reprise d' épitaxie sur la face supérieure de la couche 103a. Les conditions d' épitaxie sont choisies aptes à provoquer la croissance de nanofils sur la face supérieure de la couche 103a, selon une direction sensiblement orthogonale à la face supérieure de la couche 103a. Pour cela, on utilise par exemple un procédé d' épitaxie du type décrit dans l'article intitulé "Homoepitaxial growth of catalyst-free GaN wires on N-polar substrates" de X. J. Chen et al. (applied physics letters 97, 151909 2010). L'empilement actif planaire préalablement réalisé est de préférence tel que, dans l'orientation des figures 1B et 1C, la face supérieure de la couche de GaN 103a (c'est-à-dire sa face opposée à la couche émissive 103b) soit de polarité azote. La croissance de nanofils de GaN sur un substrat de GaN étant en effet plus aisée sur la face de polarité azote du substrat que sur sa face de polarité gallium. La croissance des nanofils 109 est par exemple réalisée par MOVPE (de l'anglais "metal-organic vapor phase epitaxy" - épitaxie en phase vapeur aux organométalliques) dans une atmosphère contenant du silane, par exemple à une température de l'ordre de 1050°C. Pour contrôler le positionnement et les dimensions des nanofils 109, un masque comportant des ouvertures délimitant les zones de croissance des nanofils 109, par exemple un masque en nitrure de silicium, peut optionnellement être formé sur la face supérieure de la couche 103a préalablement à l'étape de croissance des nanofils.
Des métallisations de contact d'anode et de de cathode, non représentées, peuvent être formées en contact électrique respectivement avec les couches d'anode 103c et de cathode 103a de la LED. A titre d'exemple, un contact d'anode peut être pris depuis la face supérieure de la structure, dans une zone périphérique de la LED ne comprenant pas la couche active 103b, la couche de cathode 103a et les nanofils 109. Un contact de cathode peut être pris depuis la face supérieure de la structure, dans une zone périphérique de la LED ne comprenant pas les nanofils 109. En pratique, on peut prévoir un dispositif optoélectronique comprenant une pluralité de LEDs identiques ou similaires disposées sur un même substrat de support 105, par exemple pour réaliser un dispositif d'affichage de type micro-écran.
Les dimensions et le positionnement des nanofils 109 peuvent être ajustés en fonction des caractéristiques d'extraction et/ou de directivité d'émission recherchées. A titre d'exemple, on peut prévoir des nanofils 109 présentant un diamètre sensiblement constant sur toute leur hauteur, ce diamètre étant choisi le plus élevé possible tout en restant suffisamment faible pour obtenir un guidage monomode de la lumière à la longueur d'onde d'émission de la couche émissive 103b. A titre d'exemple, ce diamètre peut être calculé selon les enseignements décrits dans l'ouvrage intitulé "Optical Waveguide Theory" de A.W. Snyder et J. Love. Ceci permet d'obtenir une bonne directivité d'émission de la LED. Par ailleurs, pour limiter les couplages parasites entre des nanofils voisins, on peut choisir de respecter une distance minimale entre les nanofils, par exemple une distance au moins égale à 1,3 fois le diamètre des nanofils. A titre d'exemple, pour une longueur d'onde d'émission de l'ordre de 400 nm, le diamètre des fils 109 peut être de l'ordre de 130 nm, avec une distance entre nanofils voisins d'au moins 260 nm.
De préférence, pour coupler efficacement la source lumineuse formée par la couche émissive 103b et les nanofils 109, l'épaisseur de la couche de GaN 103a entre la couche émissive 103b et les nanofils 109 est inférieure à la longueur d'onde d'émission de la LED dans le GaN (divisée par l'indice de réfraction du GaN), par exemple au moins dix fois plus faible que la longueur d'onde d'émission de la LED dans le GaN.
Les figures 2A, 2B, 2C sont des vues en coupe illustrant des étapes d'une variante de réalisation du procédé des figures 1A, 1B, 1C, permettant de faciliter le contrôle de l'épaisseur de la couche de GaN dopé de type N s 'étendant entre la couche émissive 103b et les nanofils 109. Ce procédé comprend des éléments communs avec le procédé des figures 1A, 1B, 1C. Dans la suite, seules les différences entre les deux procédés seront mises en exergue.
La figure 2A illustre une étape similaire à l'étape décrite en relation avec la figure 1A, de formation, sur la face supérieure d'un substrat de croissance 101, d'un empilement 203 qui diffère de l'empilement 103 de la figure 1A essentiellement en ce que, dans l'empilement 203, la couche 103a de la figure 1A est remplacée par un empilement 203a comprenant, dans l'ordre à partir de la face supérieure du substrat 101, une première couche de GaN dopé de type N 203a]_, une couche d'arrêt de gravure 203a2, et une deuxième couche de GaN dopé de type N 203a3- Dans cet exemple, l'empilement actif de LED au GaN est formé par les couches 203a3 (couche de cathode) , 103b (couche émissive) et 103c (couche d'anode). La couche de GaN 203a]_ a pour principale fonction d'améliorer la tenue mécanique et la qualité de l'épitaxie de l'empilement actif. La couche 203a2 est réalisée en un matériau différent du GaN, par exemple du nitrure d'aluminium (AIN), et a notamment pour fonction de servir de couche d'arrêt de gravure lors d'une étape ultérieure (figure 1B) de retrait de la couche de GaN 203a!. La figure 2B illustre une étape similaire à l'étape décrite en relation avec la figure 1B, de report de l'empilement 203 sur un substrat de support 105, puis de retrait du substrat de croissance 101. Lors de cette étape, la couche de GaN 203a]_ et la couche d'arrêt de gravure 203a2 sont en outre retirées de façon à découvrir la face supérieure de la couche de GaN 203a3- Le retrait de la couche 203a]_ est par exemple réalisé par gravure ICP-RIE (de l'anglais "Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching" - gravure ionique réactive à plasma à couplage inductif) chlorée. Le retrait de la couche 203a2 peut lui aussi être réalisé par gravure ICP-RIE chlorée, avec détection de gallium par spectroscopie de masse pour arrêter la gravure sur la face supérieure de la couche 203a3-
La figure 2C illustre une étape postérieure à l'étape de la figure 2B, similaire à l'étape décrite en relation avec la figure 1C, au cours de laquelle on fait croître des nanofils de GaN 109 sur la face supérieure de la couche de cathode 203a3-
La figure 3 illustre une variante de réalisation du procédé des figures 1A, 1B, 1C. Ce procédé comprend par exemple les mêmes étapes initiales (figures 1A et 1B) que dans l'exemple décrit en relation avec les figures 1A, 1B, 1C, mais diffère de cet exemple principalement par la forme des nanofils en GaN 109 réalisés sur la face supérieure de la couche de cathode 103a de la LED. Dans l'exemple de la figure 3, les nanofils 109 ont une forme tronconique de diamètre croissant progressivement lorsque l'on s'éloigne de la face supérieure de la couche 103a. L'élargissement progressif des nanofils permet de relâcher le confinement radial du champ électromagnétique, limitant ainsi la diffraction en bout de fil. Ceci permet d'augmenter la directivité d'émission de la LED. Une telle forme tronconique peut par exemple être obtenue en réduisant progressivement la température d'épitaxie au fur et à mesure de la croissance des nanofils, par exemple depuis une température de l'ordre de 1050°C en début d'épitaxie jusqu'à une température de l'ordre de 900°C en fin d'épitaxie. La distance entre des nanofils voisins à la base des nanofils (c'est-à-dire au niveau de la face supérieure de la couche 103a) peut être choisie supérieure ou du même ordre que le diamètre des nanofils à l'extrémité des nanofils opposée à la couche 103a, et typiquement supérieure à 1,3 fois le diamètre du fil au niveau de la face supérieure de la couche 103. A titre d'exemple, pour une longueur d'onde d'émission de l'ordre de 400 nm, le diamètre des nanofils 109 peut être de l'ordre de 130 nm à la base, et de l'ordre de 1 ym à l'extrémité opposée à la couche 103a, avec une distance entre nanofils voisins de l'ordre de 1 ym. Les nanofils 109 peuvent éventuellement coalescer au niveau de leur extrémité opposée à la couche 103a, de façon à former une surface continue sensiblement plane au niveau de leur extrémité opposée à la couche 103a. Dans ce cas, une couche conductrice transparente, par exemple en ITO, ou semi- transparente, par exemple en métal, peut être formée sur et en contact avec la face supérieure des nanofils, ce qui permet avantageusement de faciliter la prise d'un contact électrique de cathode et d'améliorer l'homogénéité du courant injecté dans la LED.
La figure 4 illustre une autre variante de réalisation du procédé des figures 1A, 1B, 1C. Ce procédé comprend par exemple les mêmes étapes initiales (figures 1A et 1B) que dans l'exemple décrit en relation avec les figures 1A, 1B, 1C, mais diffère de cet exemple principalement en ce que, dans l'exemple de la figure 4, les nanofils de GaN 109 formés sur la face supérieure de la couche de cathode 103a sont remplacés par des nanofils 409 en oxyde de zinc (ZnO) . A titre d' 'exemple, la croissance des nanofils 409 en oxyde de zinc est réalisée dans un bain chimique à basse température, par exemple à une température comprise entre 60 et 150 °C. La croissance des nanofils 409 en oxyde de zinc est par exemple réalisée par un procédé du type décrit dans l'article intitulé "Sélective Area Growth of Well-Ordered ZnO Nanowire Arrays with Controllable Polarity" de Vincent Consonni et al. (ACS Nano, 2014, 8 (5), pp 4761-4770). Un avantage de la variante de réalisation de la figure 4 est de ne pas nécessiter une étape d'épitaxie à haute température pour former les nanofils sur la face supérieure de la LED. La structure réfléchissante 107 peut alors être formée par une simple couche métallique réfléchissante, par exemple un alliage indium- argent. Ceci permet à la fois d'obtenir un bon coefficient de réflexion des photons, de prendre un contact électrique de bonne qualité sur la couche d'anode 103c, et de simplifier la réalisation de la structure 107 (par rapport à la prévision d'un miroir de Bragg) .
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que les variantes de réalisation des figures 3 et 4 peuvent être adaptées au procédé des figures 2A, 2B, 2C.
De plus, les types de conductivité des couches de nitrure de gallium 103a, 203a3 (de type N dans les exemples décrits) et 103c (de type P dans les exemples décrits) , peuvent être inversés, les régions d'anode et de cathode des LEDs étant alors également inversées.
En outre, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples susmentionnés dans lesquels l'empilement actif de LED au GaN est réalisé sur un substrat de croissance 101, puis reporté sur un substrat de support 105. A titre de variante, le substrat de départ peut être un substrat de GaN autosupporté, par exemple dopé de type N, sur une face duquel est épitaxié l'empilement actif 103. A titre d'exemple, l'empilement actif 103 est formé sur la face de polarité azote du substrat. Dans ce cas des nanofils de GaN peuvent être formés directement sur la face de l'empilement actif opposée au substrat, qui est une face de polarité azote.
Par ailleurs, pour augmenter le couplage entre la zone d'émission et les nanofils et éviter que des photons ne sortent de l'empilement actif de LED entre les nanofils, un métal réfléchissant, par exemple de l'argent, peut être déposé sur la face supérieure de la couche 103a entre les nanofils 109, 409. A titre d'exemple, ce métal peut être déposé avant la croissance des nanofils sur toute la surface de la couche 103a, puis retiré localement dans les zones de croissance des nanofils. A titre de variante, le métal réfléchissant peut être déposé sur toute la surface de la LED après la réalisation des nanofils 109, 409, par exemple par une méthode de dépôt conforme, puis une étape de gravure directive peut être mise en oeuvre pour retirer le métal sur la face supérieure des nanofils 109, 409.
En outre, à titre de variante, dans le cas où les nanofils 109 sont en GaN, on peut, en modifiant les conditions de l'épitaxie, faire croître autour des nanofils 109 des coquilles contenant des puits quantiques adaptés à convertir dans une autre couleur une partie de la lumière émise par la couche 103b. A titre d'exemple, la couche 103b peut être adaptée à émettre de la lumière bleue, et des puits quantiques adaptés à convertir en lumière jaune une partie de la lumière bleue émise par la LED peuvent être formés autour des nanofils 109, de façon à obtenir une LED émettant de la lumière blanche.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une diode électro¬ luminescente au nitrure de gallium, comprenant les étapes successives suivantes :
a) former par épitaxie, sur un substrat de croissance (101) , un empilement actif planaire (103 ; 203) de diode électroluminescente au nitrure de gallium comportant, dans l'ordre en partant du substrat de croissance, une première couche de nitrure de gallium (103a ; 203a3) dopée de type N, une couche émissive à un ou plusieurs puits quantiques, et une deuxième couche de nitrure de gallium (103c) dopée de type P, la face de la première couche de nitrure de gallium (103, 203a) tournée vers le substrat de croissance étant de polarité azote ;
b) reporter l'empilement actif planaire (103 ; 203) sur un substrat de support (105) et retirer le substrat de croissance (101) de façon à libérer l'accès à ladite face de polarité azote de la première couche de nitrure de gallium (103a ; 203a3) ; et c) faire croître des nanofils de nitrure de gallium (109) par épitaxie en phase vapeur sur ladite face de polarité azote de la première couche de nitrure de gallium (103a ; 203a3) .
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, entre l'étape a) et l'étape b) , une étape de formation d'une structure réfléchissante (107) sur la face de la deuxième couche (103c) de nitrure de gallium opposée à la couche émissive (103b) ou sur le substrat de support (105) , de façon que, après l'étape b) , la structure réfléchissante (107) fasse interface entre la deuxième couche (103c) de nitrure de gallium et le substrat de support (105),
dans lequel la structure réfléchissante (107) est un miroir de Bragg comportant uniquement des matériaux ayant un point de fusion supérieur à 1100°C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'épaisseur de la première couche (103a ; 203a3) de nitrure de gallium entre la couche émissive (103b) et la base des nanofils (109 ; 409) est inférieure à la longueur d'onde d'émission de la couche émissi e (103b) .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les nanofils (109) ont un diamètre compris entre 50 et 250 nm, et une longueur comprise entre 0,5 et 15 um.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les nanofils (109) ont une forme tronconique de diamètre augmentant progressivement en s 'éloignant de la première couche (103a ; 203a3) de nitrure de gallium.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel, pour obtenir ladite forme tronconique, la température d'épitaxie est progressivement réduite au fur et à mesure de la croissance des nanofils (109) .
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite température d'épitaxie est progressivement réduite depuis une température de l'ordre de 1050°C en début d'épitaxie jusqu'à une température de l'ordre de 900 °C en fin d'épitaxie.
8. Diode électroluminescente au nitrure de gallium, réalisée par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
EP17734786.1A 2016-06-17 2017-06-02 Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium Withdrawn EP3472872A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1655678A FR3052915A1 (fr) 2016-06-17 2016-06-17 Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium
PCT/FR2017/051400 WO2017216445A1 (fr) 2016-06-17 2017-06-02 Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3472872A1 true EP3472872A1 (fr) 2019-04-24

Family

ID=56842892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17734786.1A Withdrawn EP3472872A1 (fr) 2016-06-17 2017-06-02 Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10580931B2 (fr)
EP (1) EP3472872A1 (fr)
FR (1) FR3052915A1 (fr)
WO (1) WO2017216445A1 (fr)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11961875B2 (en) 2017-12-20 2024-04-16 Lumileds Llc Monolithic segmented LED array architecture with islanded epitaxial growth
US20190198564A1 (en) 2017-12-20 2019-06-27 Lumileds Llc Monolithic segmented led array architecture with islanded epitaxial growth
FR3076170B1 (fr) * 2017-12-22 2020-05-15 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede de report de structures electroluminescentes
US11201265B2 (en) 2018-09-27 2021-12-14 Lumileds Llc Micro light emitting devices
FR3096508A1 (fr) 2019-05-21 2020-11-27 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes
CN110808319B (zh) * 2019-11-11 2021-08-17 中国科学院半导体研究所 反极性垂直发光二极管及其制备方法
US11777059B2 (en) 2019-11-20 2023-10-03 Lumileds Llc Pixelated light-emitting diode for self-aligned photoresist patterning
US11942507B2 (en) 2020-03-11 2024-03-26 Lumileds Llc Light emitting diode devices
US11848402B2 (en) 2020-03-11 2023-12-19 Lumileds Llc Light emitting diode devices with multilayer composite film including current spreading layer
US11569415B2 (en) 2020-03-11 2023-01-31 Lumileds Llc Light emitting diode devices with defined hard mask opening
US11735695B2 (en) 2020-03-11 2023-08-22 Lumileds Llc Light emitting diode devices with current spreading layer
FR3109470B1 (fr) * 2020-04-15 2022-04-01 Commissariat Energie Atomique Diode electroluminescente comprenant une structure hybride formee de couches et de nanofils
WO2022021230A1 (fr) * 2020-07-30 2022-02-03 重庆康佳光电技术研究院有限公司 Structure de substrat, structure sur puce et procédé de fabrication de structure sur puce
US11901491B2 (en) 2020-10-29 2024-02-13 Lumileds Llc Light emitting diode devices
US11626538B2 (en) 2020-10-29 2023-04-11 Lumileds Llc Light emitting diode device with tunable emission
US12040432B2 (en) 2020-10-30 2024-07-16 Lumileds Llc Light emitting diode devices with patterned TCO layer including different thicknesses
US11705534B2 (en) 2020-12-01 2023-07-18 Lumileds Llc Methods of making flip chip micro light emitting diodes
US11955583B2 (en) 2020-12-01 2024-04-09 Lumileds Llc Flip chip micro light emitting diodes
US11600656B2 (en) 2020-12-14 2023-03-07 Lumileds Llc Light emitting diode device
US12170328B2 (en) 2020-12-15 2024-12-17 Texas Instruments Incorporated P type gallium nitride conformal epitaxial structure over thick buffer layer
US12402440B2 (en) 2021-09-03 2025-08-26 Lumileds Llc Light emitting diode devices with bonding and/or ohmic contact-reflective material
US12484346B2 (en) 2021-09-03 2025-11-25 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Light emitting diode devices with bonding and/or ohmic contact-reflective material
US12419137B2 (en) 2021-09-10 2025-09-16 Lumileds Llc Light emitting diodes with segmented anodes by pixel
US12431478B2 (en) 2021-09-29 2025-09-30 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Hybrid CMOS micro-LED display layout
US12433080B2 (en) 2021-09-29 2025-09-30 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Hybrid CMOS micro-LED display layout
US12568728B2 (en) 2021-09-29 2026-03-03 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Hybrid CMOS micro-LED display layout
CN113964003A (zh) * 2021-10-09 2022-01-21 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种具有纳米管结构的GaN光电阴极及其制备方法
US11935987B2 (en) 2021-11-03 2024-03-19 Lumileds Llc Light emitting diode arrays with a light-emitting pixel area
US12490570B2 (en) 2021-11-12 2025-12-02 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Thin-film LED array with low refractive index patterned structures
US12604572B2 (en) 2021-11-12 2026-04-14 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Thin-film LED array with low refractive index patterned structures and reflector
US12588326B2 (en) 2021-11-12 2026-03-24 Lumileds Singapore Pte. Ltd. Composite cathode contact for monolithically integrated micro-LEDs, mini-LEDs and LED arrays

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101019941B1 (ko) * 2006-03-10 2011-03-09 에스티씨. 유엔엠 Ｇａｎ 나노선의 펄스 성장 및 ⅲ 족 질화물 반도체 기판 물질과 디바이스에서의 어플리케이션
US7745843B2 (en) * 2006-09-26 2010-06-29 Stanley Electric Co., Ltd. Semiconductor light emitting device
KR100900288B1 (ko) * 2007-10-29 2009-05-29 엘지전자 주식회사 발광 소자
US20100035416A1 (en) * 2008-08-11 2010-02-11 Ding-Yuan Chen Forming III-Nitride Semiconductor Wafers Using Nano-Structures
KR102022659B1 (ko) * 2012-02-20 2019-11-04 서울바이오시스 주식회사 고효율 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법
KR20150121933A (ko) * 2014-04-22 2015-10-30 서울바이오시스 주식회사 발광 다이오드 및 그의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
FR3052915A1 (fr) 2017-12-22
WO2017216445A1 (fr) 2017-12-21
US20190214523A1 (en) 2019-07-11
US10580931B2 (en) 2020-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3472872A1 (fr) Procede de fabrication d'une diode electroluminescente au nitrure de gallium
EP3646383B1 (fr) Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles en configuration axiale
JP5623074B2 (ja) 光電子半導体部品
EP3991216B1 (fr) Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes de type axial
EP3811418B1 (fr) Dispositif optoelectronique comprenant une matrice de diodes
EP3948949B1 (fr) Procédé de fabrication d'un écran émissif à led tridimensionnelles et écran en résultant
EP3014665B1 (fr) Dispositif optoélectronique à réflectivité améliorée et son procédé de fabrication
EP4264684A1 (fr) Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
WO2021130136A1 (fr) Dispositif pour traitement par laser et procédé de traitement au laser
EP3241246A1 (fr) Procédé de fabrication de nanofils ou de microfils semiconducteurs a pieds isoles
EP3130010B1 (fr) Dispositif optoelectronique a diodes electroluminescentes et a diagramme d'emission ameliore
CN105679904B (zh) 光泵浦发光器件及单片集成光泵浦发光器件的制备方法
EP3224858A1 (fr) Dispositif optoélectronique á éléments semiconducteurs tridimensionnels et son procédé de fabrication
EP4264682A1 (fr) Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
WO2022069431A1 (fr) Dispositif optoelectronique a diodes electroluminescentes a affichage couleur
EP4264683B1 (fr) Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial et son procédé de conception
EP4327369B1 (fr) Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comportant un empilement à puits quantiques multiples
EP3991213B1 (fr) Procede d'homogeneisation de la section de nanofils pour diodes electroluminescentes
EP3903354B1 (fr) Dispositif optoélectronique à diode électroluminescente micrométrique ou nanométrique surmontée d'une lentille optique
EP4082047A1 (fr) Dispositif a composants optoelectroniques tridimensionnels pour decoupe au laser et procede de decoupe au laser d'un tel dispositif

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20181205

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20220104