EP4248500A1 - Procédé de fabrication d'un dispositif à led - Google Patents

Procédé de fabrication d'un dispositif à led

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EP4248500A1
EP4248500A1 EP21801860.4A EP21801860A EP4248500A1 EP 4248500 A1 EP4248500 A1 EP 4248500A1 EP 21801860 A EP21801860 A EP 21801860A EP 4248500 A1 EP4248500 A1 EP 4248500A1
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EP
European Patent Office
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layer
leds
upper face
etching
respect
Prior art date
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Pending
Application number
EP21801860.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Aurélien TAVERNIER
Nicolas Posseme
Romain SOMMER
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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
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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
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Pending legal-status Critical Current

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    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/813—Bodies having a plurality of light-emitting regions, e.g. multi-junction LEDs or light-emitting devices having photoluminescent regions within the bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10H29/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one light-emitting semiconductor element covered by group H10H20/00
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    • H10H29/14—Integrated devices comprising at least one light-emitting semiconductor component covered by group H10H20/00 comprising multiple light-emitting semiconductor components
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    • H10H20/854—Encapsulations characterised by their material, e.g. epoxy or silicone resins
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    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
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    • H10H20/0362—Manufacture or treatment of packages of encapsulations
    • H—ELECTRICITY
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    • H10H20/853—Encapsulations characterised by their shape

Definitions

  • TITLE Process for manufacturing an LED device
  • the present description relates generally to optoelectronic devices, and more particularly relates to the production of an emissive display device with light-emitting diodes (LEDs) comprising three-dimensional semiconductor elements, for example of the nanowire or microwire type.
  • LEDs light-emitting diodes
  • each pixel of the screen comprises several elementary three-dimensional LEDs, each consisting of a three-dimensional semiconductor element, for example of nanowire or microwire type, connected in parallel between two electrodes of an active screen control circuit.
  • One embodiment provides a method for manufacturing an optoelectronic device, comprising the following steps:
  • the first material is such that the first layer is etchable selectively with respect to the LEDs and that the second layer is etchable selectively with respect to the first layer .
  • the first layer is made of a carbonaceous polymer material.
  • the method further comprises, before the deposition of the first layer, a conformal deposition step of a protective layer coating the LEDs.
  • the first material is selectively etchable with respect to the protective layer.
  • the protective layer is made of silicon nitride.
  • the method comprises a step of forming a localized cavity in the stack comprising the first and second layers.
  • the step of forming the cavity comprises a first step of etching the second layer by an etching process that is selective with respect to the material of the first layer, followed by a second step of etching of the first layer by a selective etching process compared to LEDs.
  • the first etching step is a plasma etching implemented by means of a fluoro-carbon plasma.
  • the second etching is a plasma etching implemented by means of a plasma based on dioxygen or dihydrogen.
  • the method further comprises, after the step of depositing the second layer and before the step of forming the cavity, a step of fixing a temporary substrate on the upper face of the second layer, then a step of removing the temporary substrate so as to free up access to the upper face of the second layer.
  • the first layer is spin coated.
  • Figures IA and IB are sectional views schematically representing successive steps of an example of a method of manufacturing an LED device.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C are cross-sectional views schematically representing successive steps of an example of a method for manufacturing an LED device according to one embodiment.
  • Figures IA and IB are sectional views schematically representing successive steps of an example of a method of manufacturing a three-dimensional LED device.
  • FIG. 1A illustrates an intermediate structure comprising a substrate 100 and, on the side of the upper face of the substrate 100, a plurality of three-dimensional elementary LEDs 101, for example identical or similar (except for manufacturing dispersions) each consisting of a three-dimensional semiconductor element, for example a semiconductor nanowire or microwire.
  • a three-dimensional semiconductor element is meant here an element of elongated shape in a preferred direction called the longitudinal direction. Such an element may have a wire shape, or even a conical or frustoconical shape, or a pyramidal shape.
  • each three-dimensional semiconductor element has a maximum transverse dimension comprised between 5 nm and 2.5 ⁇ m, for example between 50 nm and 1 ⁇ m, and a longitudinal dimension greater than or equal to 1 times, preferably greater than or equal to 5 times its maximum transverse dimension.
  • Each elementary LED 101 comprises for example one or more semiconductor materials chosen from the group comprising III-V compounds, II-VI compounds or group IV semiconductors or compounds.
  • Each LED 101 may be at least partly formed from gallium nitride.
  • Each three-dimensional semiconductor element constituting an LED 101 may have an elongated shape along an axis substantially perpendicular to the upper face of the substrate 100, for example a generally cylindrical shape.
  • the distance between the longitudinal axes of two LEDs 101 is for example between 100 nm and 3 ⁇ m, for example between 200 nm and 1.5 ⁇ m.
  • the height (longitudinal dimension) of the LEDs 101 can be between 250 nm and 15 ⁇ m, preferably between 500 nm and 8 ⁇ m.
  • the structure of Figure IA further comprises, on the side of the upper face of the substrate 100, a protective layer 103, for example in a transparent dielectric material in the visible, for example in silicon nitride, coating the sides sides and the upper face of each elementary LED 101, as well as the upper face of the substrate 100 between the elementary LEDs 101.
  • the layer 103 is for example produced by a conformal deposition method, for example by DVD deposition (from the English "Physical Vapor Deposition” - physical vapor deposition) or by ALD deposition (from the English "Atomic Layer Deposition” - deposition in monatomic layers), after the growth of the LEDs 101 on the upper face of the substrate 100.
  • the layer 103 is extends for example continuously and with a substantially uniform thickness over the entire upper face of the assembly comprising the substrate 100 and the elementary LEDs 101.
  • the layer 103 is for example directly in contact with the upper face. ieure and with the lateral flanks of the three-dimensional semiconductor elements constituting the LEDs 101.
  • the thickness of the protective layer 103 is less than the spacing between the elementary LEDs 101, so that the layer 103 does not entirely fill the space between the elementary LEDs 101.
  • the thickness of the layer 103 is for example between 50 and 500 nm.
  • the structure of Figure IA further comprises, on the side of the upper face of the substrate 100, a layer of silicon oxide 105 coating the upper face of the protective layer 103.
  • the layer 105 extends over a thickness greater than the height of the three-dimensional elementary LEDs 101. Thus, the layer 105 completely fills the spaces left free between the LEDs 101 and covers the LEDs 101.
  • the layer 105 extends for example continuously over the entire surface of the device.
  • Layer 105 has a substantially planar upper face.
  • the maximum thickness of layer 105 (between LEDs 101) is between 5 and 10 ⁇ m.
  • the layer 105 can be deposited by a silicon oxide deposition process at low temperature, for example a deposition process at a temperature less than or equal to 400° C., which makes it possible to avoid degrading the three-dimensional LEDs 101 beforehand. formed.
  • the layer 105 is deposited by a process of the PECVD-TEOS type, that is to say a chemical vapor deposition process assisted by plasma, using liquid TEOS (tetraethyl orthosilicate) as a source. of silicon.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • the layer 105 can serve as a bonding interface to fix the assembly comprising the support substrate 100 and the three-dimensional elementary LEDs 101 on a temporary support substrate, for example made of silicon.
  • the complete manufacturing process of the optoelectronic device may comprise the following successive steps (not detailed in the figures): a) formation of the three-dimensional LEDs 101 on the upper face of the substrate 100; b) deposition of the protective layer 103 then of the bonding interface layer 105 on the side of the upper face of the substrate 100; c) fixing a temporary support substrate (not visible in the figures), for example made of silicon, on the upper face of the layer 105; d) partial removal of the substrate 100 and production of contact electrodes (not visible in the figures) on the side of the lower face of the elementary LEDs 101, using the temporary support substrate as a handle; e) fixing and electrical connection of an integrated circuit for controlling the elementary LEDs 101, for example a CMOS circuit, on the side of the lower face of the LEDs 101; and f)
  • the temporary support substrate can be fixed by direct bonding or molecular bonding of the lower face of the temporary substrate on the upper face of the layer 105.
  • the provision of an interface layer 105 in silicon oxide is advantageous in that the fixing of a temporary substrate of silicon by molecular bonding on a flat face of a layer of silicon oxide (step c)) and the subsequent removal of the temporary substrate (step f) ) are well-known processes in the field of microelectronics.
  • the three-dimensional elementary LEDs 101 are for example all substantially identical, to the manufacturing dispersions close, and all emit substantially at the same wavelength.
  • the elementary LEDs 101 may be coated with at least some pixels of a photoluminescent conversion element (not visible in the figures) .
  • the conversion element is adapted to absorb photons at the emission wavelength of the LEDs, and to re-emit photons at another wavelength.
  • the LEDs are suitable for mainly emitting blue light
  • red in second pixels, to coat the LEDs 101 of the pixel with a conversion element suitable for converting blue light into green light, and, in third pixels, to leave the LEDs 101 uncoated by a conversion element .
  • a red-green-blue color image display device is thus obtained.
  • the photoluminescent conversion elements are, for example, portions of an organic layer in which quantum dots are embedded, or portions of a layer of phosphorescent material.
  • each pixel provided with a photoluminescent conversion element to maximize the coupling between the elementary LEDs 101 and the photoluminescent conversion element of the pixel, provision can be made to locally remove the silicon oxide layer 105 opposite vis-à-vis the LEDs 101 of the pixel.
  • the photoluminescent conversion element can then be deposited as close as possible to the LEDs 101.
  • Figures IA and IB more particularly illustrate steps of a process for localized removal of the silicon oxide layer 105 vis-à-vis the elementary LEDs 101 of a pixel of the device, with a view to the subsequent deposition of a photoluminescent conversion element.
  • Figure IA illustrates the structure obtained at the end of a step of forming an etching mask 107 on the upper face of the layer of silicon oxide 105.
  • the mask 107 is for example made of resin, and has an opening 109 facing the portion of the layer 105 that is to be removed.
  • the mask 107 is for example produced by photolithography.
  • Figure IB illustrates the structure obtained after a step of removing the silicon oxide layer 105 vis-à-vis the opening 109 of the mask 107. During this step, the layer 105 is removed over its entire thickness opposite the opening 109. A cavity 111 located in the layer 105 is thus formed opposite the elementary LEDs 101 of the pixel. Cavity 111 is subsequently intended to receive a photoluminescent conversion element of the pixel. In this example, layer 105 remains intact at the periphery of the pixel.
  • the layer 105 is for example removed by a plasma etching process, for example by means of a fluoro-carbon type plasma, for example a plasma based on octafluorocyclobutane (C4F 8 ), carbon monoxide carbon (CO) and argon (Ar).
  • a fluoro-carbon type plasma for example a plasma based on octafluorocyclobutane (C4F 8 ), carbon monoxide carbon (CO) and argon (Ar).
  • the layer 105 etching process is chosen to be relatively selective with respect to the material of the protective layer 103.
  • the selectivity obtained is insufficient in practice.
  • FIG. 1B significant faceting of the three-dimensional LEDs 101 is observed during etching. In other words, the LEDs 101 located in the cavity 111 are degraded, and may possibly be destroyed during burning.
  • Figures 2A, 2B and 2C are sectional views schematically representing successive steps of an example of a method of manufacturing a three-dimensional LED device according to one embodiment, aimed at overcoming the aforementioned drawback of the method of Figures IA and IB.
  • Figure 2A illustrates an intermediate structure similar to the structure of Figure IA.
  • the structure of FIG. 2A differs from that of FIG. IA mainly in that, in the structure of FIG. 2A, the layer of silicon oxide 105 is replaced by a bi-layer comprising a lower layer 205a of a first material different from silicon oxide, and an upper layer 205b of silicon oxide.
  • the layer 205a extends over a thickness greater than the height of the three-dimensional elementary LEDs 101. Thus, the layer 205a completely fills the spaces left free between the LEDs 101 and covers the LEDs 101.
  • the layer 205a extends by example continuously over the entire surface of the device.
  • Layer 205a preferably has a substantially planar upper face. By way of example, the maximum thickness of layer 205a (between LEDs 101) is between 5 and 10 ⁇ m.
  • the layer 205a is for example in contact, by its lower face, with the upper face of the protective layer 103.
  • the layer 205a is preferably deposited by a low temperature deposition process, for example at a temperature lower than or equal to 400°C.
  • Layer 205a can be deposited by a spin coating process, having the advantage of planarizing the upper surface of layer 205a.
  • the layer 205b extends continuously and over a substantially uniform thickness, over the entire surface of the device.
  • the layer 205b is for example in contact, by its lower face, with the upper face of the layer 205a.
  • Layer 205b has a substantially planar top surface.
  • Layer 205b can be deposited by a low temperature silicon oxide deposition process, for example a deposition process at a temperature less than or equal to 400° CA.
  • layer 205b is deposited by a process of PECVD-TEOS type.
  • a step of planarization of the upper face of the layer 205b can be implemented to improve its flatness.
  • the thickness of layer 205b is for example between 0.5 and 5 ⁇ m, for example between 1 and 2 ⁇ m.
  • the layer 205b can serve as a bonding interface to fix the assembly comprising the support substrate 100 and the three-dimensional elementary LEDs 101 on a temporary support substrate, for example made of silicon, as described above.
  • cavities can be formed in the stack of layers 205a and 205b facing certain pixels of the sensor, these cavities being for receiving photoluminescent color conversion elements.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C more particularly illustrate steps of a process for the localized removal of the stack of layers 205a and 205b opposite the elementary LEDs 101 of a pixel of the device, in view subsequent deposition of a photoluminescent conversion element.
  • the layer 205a is made of a material such that the first layer is etchable selectively with respect to the LEDs 101 and such that the silicon oxide layer 205b is etchable selectively with respect to the layer 205a.
  • the material of layer 205a is chosen to be selectively etchable relative to the material of protective layer 103.
  • protective layer 103 may be omitted, in which case the material of layer 205a is chosen to be etchable selectively with respect to the semiconductor materials of the LEDs 101.
  • the layer 205a is preferably made of a dielectric material.
  • Layer 205a is for example made of a polymer material, preferably a carbon polymer or organic polymer.
  • the material of layer 205a is preferably resistant to relatively high temperatures, for example between 400°C and 600°C. This makes it possible to withstand subsequent heat treatment steps, in particular during the deposition of the photoluminescent conversion elements.
  • the material of layer 205a is a hydrocarbon polymer, for example of the type known under the trade name SiLK.
  • the material of the layer 205a can be a polymer of the type commonly designated by the acronym SoC, from the English “spin-on carbon", that is to say a polymer material with a high carbon content. , for example with a carbon concentration greater than 80%, which can be deposited with a spinner.
  • the material of layer 205a may be a polyimide.
  • FIG. 2A illustrates the structure obtained at the end of a step of forming an etching mask 107 on the upper face of the layer of silicon oxide 205b.
  • the mask 107 is for example made of resin, and has an opening 109 facing the portion of the stack of layers 205a and 205b that one wishes to remove.
  • the mask 107 is for example produced by photolithography.
  • FIG. 2B illustrates the structure obtained at the end of a step of removing the layer of silicon oxide 205b opposite the opening 109 of the mask 107.
  • the layer 205b is removed over its entire thickness opposite the opening 109.
  • a cavity 111 located in the layer 205b is thus formed opposite the elementary LEDs 101 of the pixel.
  • etching is interrupted on the upper face of layer 205a.
  • the layer 205b is removed by an etching process suitable for etching the silicon oxide selectively with respect to the material of the layer 205a.
  • the layer 205b is for example removed by a plasma etching process, for example by means of a plasma of the fluoro-carbon type, for example a plasma based on octaf luorocyclobutane (C4F 8 ), carbon monoxide carbon (CO) and argon (Ar).
  • a plasma of the fluoro-carbon type for example a plasma based on octaf luorocyclobutane (C4F 8 ), carbon monoxide carbon (CO) and argon (Ar).
  • FIG. 2C illustrates the structure obtained at the end of a step of removing layer 205a facing opening 109 of mask 107.
  • layer 205a is removed on its entire thickness facing the opening 109.
  • the cavity 111 is thus extended facing the elementary LEDs 101 of the pixel.
  • the etching is interrupted on the upper face of the protective layer 103 of the elementary LEDs 101.
  • the layer 205a is removed by an etching process suitable for etching the material of the layer 205a selectively with respect to to the material of the protection layer 103.
  • the protection layer 103 can be omitted, in which case the etching is interrupted directly on the semiconductor material of the elementary LEDs 101.
  • the layer 205a is removed by an etching process adapted to etching the material of the layer 205a selectively with respect to the semiconductor materials of the LEDs 101.
  • the layer 205a is for example removed by a plasma etching process, for example by means of a plasma based on oxygen, for example a plasma based on oxygen (O2) and argon (Ar), or a plasma based on oxygen (O2), nitrogen (N 2 ) and carbon tetrafluoride (CF 4 ), or a plasma based on sulfur dioxide (SO2) and oxygen (O2) or a plasma based carbon oxysulphide (COS) and dioxygen (O2).
  • a plasma based on oxygen for example a plasma based on oxygen (O2) and argon (Ar)
  • the layer 205a is removed by means of a plasma based on dihydrogen (H2) or a plasma based
  • chemistries have the advantage of etching the carbonaceous polymer materials very selectively compared to the silicon nitride of the protective layer 103, or compared to the semiconductor materials of the LEDs 101 in the absence of the protective layer 103 .
  • An advantage of the method described in relation to FIGS. 2A, 2B and 2C is that it makes it possible to eliminate the problem of faceting of the elementary LEDs 101 of the method of FIGS. IA and IB. This can in particular make it possible to reduce the thickness of the protective layer 103, or even to entirely eliminate the protective layer 103.
  • the layer 103 has a thickness comprised between 0.1 and 1 ⁇ m.

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Abstract

La présente description concerne un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique, comprenant les étapes suivantes : - former, du côté d'une face supérieure d'un premier substrat (100), une pluralité de LED (101) constituées chacune d'un élément semiconducteur tridimensionnel; - déposer, du côté de la face supérieure du premier substrat, une première couche (205a) en un premier matériau différent de l'oxyde de silicium, ladite première couche (205a) entourant latéralement et recouvrant les LED (101) et présentant une face supérieure plane; et - déposer une deuxième couche (205b) en oxyde de silicium sur la face supérieure de la première couche (205a), dans lequel le premier matériau est tel que la première couche (205a) soit gravable sélectivement par rapport aux LED (101) et que la deuxième couche (205b) soit gravable sélectivement par rapport à la première couche.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de fabrication d'un dispositif à LED
La présente demande est basée sur, et revendique la priorité de, la demande de brevet français FR2011913 déposée le 19 novembre 2020 et ayant pour titre "Procédé de fabrication d'un dispositif à LED" qui est considérée comme faisant partie intégrante de la présente description dans les limites prévues par la loi.
Domaine technique
[0001] La présente description concerne de façon générale les dispositifs optoélectroniques, et vise plus particulièrement la réalisation d'un dispositif d'affichage émissif à diodes électroluminescentes (LED) comportant des éléments semiconducteurs tridimensionnels, par exemple de type nanofils ou microfils.
Technique antérieure
[0002] Il a déjà proposé, par exemple dans le document WO2020/ 128341 , de réaliser un écran émissif à LED dans lequel chaque pixel de l'écran comprend plusieurs LED élémentaires tridimensionnelles, constituées chacune d'un élément semiconducteur tridimensionnel, par exemple de type nanofil ou microfil, connectées en parallèle entre deux électrodes d'un circuit actif de contrôle de l'écran.
[0003] Les procédés connus pour réaliser un tel écran présentent toutefois des inconvénients qu'il serait souhaitable de pallier en tout ou partie.
Résumé de l'invention
[0004] Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique, comprenant les étapes suivantes :
- former, du côté d'une face supérieure d'un premier substrat, une pluralité de LED constituées chacune d'un élément semiconducteur tridimensionnel ;
- déposer, du côté de la face supérieure du premier substrat, une première couche en un premier matériau différent de l'oxyde de silicium, la première couche entourant latéralement et recouvrant les LED et présentant une face supérieure plane ; et
- déposer une deuxième couche en oxyde de silicium sur la face supérieure de la première couche, dans lequel le premier matériau est tel que la première couche soit gravable sélectivement par rapport aux LED et que la deuxième couche soit gravable sélectivement par rapport à la première couche.
[0005] Selon un mode de réalisation, la première couche est en un matériau polymère carboné.
[0006] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, avant le dépôt de la première couche, une étape de dépôt conforme d'une couche de protection revêtant les LED.
[0007] Selon un mode de réalisation, le premier matériau est gravable sélectivement par rapport à la couche de protection.
[0008] Selon un mode de réalisation, la couche de protection est en nitrure de silicium.
[0009] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de formation d'une cavité localisée dans l'empilement comportant les première et deuxième couches.
[0010] Selon un mode de réalisation, l'étape de formation de la cavité comprend une première étape de gravure de la deuxième couche par un procédé de gravure sélectif par rapport au matériau de la première couche, suivie d'une deuxième étape de gravure de la première couche par un procédé de gravure sélectif par rapport aux LED. [0011] Selon un mode de réalisation, la première étape de gravure est une gravure plasma mise en oeuvre au moyen d'un plasma f luoro-carboné .
[0012] Selon un mode de réalisation, la deuxième gravure est une gravure plasma mise en oeuvre au moyen d'un plasma à base de dioxygène ou de dihydrogène.
[0013] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après l'étape de dépôt de la deuxième couche et avant l'étape de formation de la cavité, une étape de fixation d'un substrat temporaire sur la face supérieure de la deuxième couche, puis une étape de retrait du substrat temporaire de façon à libérer l'accès à la face supérieure de la deuxième couche .
[0014] Selon un mode de réalisation, la première couche est déposée à la tournette.
Brève description des dessins
[0015] Ces caractéristiques et 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 :
[0016] les figures IA et IB sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un dispositif à LED ; et
[0017] les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un dispositif à LED selon un mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
[0018] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0019] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des LED tridimensionnelles des dispositifs décrits n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec toutes ou la plupart des réalisations connues de LED tridimensionnelles. En outre la réalisation des électrodes de contact et des circuits de contrôle des LED n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les réalisations connues des électrodes de contact et des circuits de contrôle de LED tridimensionnelles.
[0020] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0021] 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 précision contraire à l'orientation des figures. [0022] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0023] Les figures IA et IB sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un dispositif à LED tridimensionnelles .
[0024] La figure IA illustre une structure intermédiaire comportant un substrat 100 et, du côté de la face supérieure du substrat 100, une pluralité de LED élémentaires tridimensionnelles 101, par exemple identiques ou similaires (aux dispersions de fabrication près) constituées chacune d'un élément semiconducteur tridimensionnel, par exemple un nanofil ou un microfil semiconducteur. On entend ici par élément semiconducteur tridimensionnel un élément de forme allongée selon une direction privilégiée appelée direction longitudinale. Un tel élément peut avoir une forme filaire, ou encore une forme conique ou tronconique, ou une forme pyramidale. A titre d'exemple, chaque élément semiconducteur tridimensionnel a une dimension transversale maximale comprise entre 5 nm et 2,5 pm, par exemple entre 50 nm et 1 pm, et une dimension longitudinale supérieure ou égale à 1 fois, de préférence supérieure ou égale à 5 fois, sa dimension transversale maximale.
[0025] Chaque LED élémentaire 101 comprend par exemple un ou plusieurs matériaux semiconducteurs choisi dans le groupe comprenant les composés III-V, les composés II-VI ou les semiconducteurs ou composés du groupe IV. Chaque LED 101 peut être au moins en partie formée en nitrure de gallium.
[0026] Chaque élément semiconducteur tridimensionnel constitutif d'une LED 101 peut avoir une forme allongée selon un axe sensiblement perpendiculaire à la face supérieure du substrat 100, par exemple une forme générale cylindrique. La distance entre les axes longitudinaux de deux LED 101 est par exemple comprise entre 100 nm et 3 pm, par exemple entre 200 nm et 1,5 pm. La hauteur (dimension longitudinale) des LED 101 peut être comprise entre 250 nm et 15 pm, de préférence entre 500 nm et 8 pm.
[0027] Les différentes étapes de croissance épitaxiale mises en oeuvre pour réaliser les LED élémentaires tridimensionnelles 101 n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les procédés connus de réalisation de telles LED élémentaires. Sur les figures, les différentes régions semiconductrices (région d'anode, région de cathode, région active) constituant chaque LED 101 n'ont pas été détaillées.
[0028] La structure de la figure IA comprend en outre, du côté de la face supérieure du substrat 100, une couche de protection 103, par exemple en un matériau diélectrique transparent dans le visible, par exemple en nitrure de silicium, revêtant les flancs latéraux et la face supérieure de chaque LED élémentaire 101, ainsi que la face supérieure du substrat 100 entre les LED élémentaires 101. La couche 103 est par exemple réalisée par une méthode dépôt conforme, par exemple par dépôt DVD (de l'anglais "Physical Vapor Deposition" - dépôt physique en phase vapeur) ou par dépôt ALD (de l'anglais "Atomic Layer Deposition" - dépôt en couches monoatomiques) , après la croissance des LED 101 sur la face supérieure du substrat 100. La couche 103 s'étend par exemple de façon continue et avec une épaisseur sensiblement uniforme sur toute la face supérieure de l'ensemble comprenant le substrat 100 et les LED élémentaires 101. La couche 103 est par exemple directement en contact avec la face supérieure et avec les flancs latéraux des éléments semiconducteurs tridimensionnels constitutifs des LED 101. L'épaisseur de la couche de protection 103 est inférieure à l'espacement entre les LED élémentaires 101, de sorte que la couche 103 ne comble pas entièrement l'espace entre les LED élémentaires 101. L'épaisseur de la couche 103 est par exemple comprise entre 50 et 500 nm.
[0029] La structure de la figure IA comprend en outre, du côté de la face supérieure du substrat 100, une couche d'oxyde de silicium 105 revêtant la face supérieure de la couche de protection 103. La couche 105 s'étend sur une épaisseur supérieure à la hauteur des LED élémentaires tridimensionnelles 101. Ainsi, la couche 105 comble entièrement les espaces laissés libres entre les LED 101 et recouvre les LED 101. La couche 105 s'étend par exemple de façon continue sur toute la surface du dispositif. La couche 105 présente une face supérieure sensiblement plane. A titre d'exemple, l'épaisseur maximale de la couche 105 (entre les LED 101) est comprise entre 5 et 10 pm. La couche 105 peut être déposée par un procédé de dépôt d'oxyde de silicium à basse température, par exemple un procédé de dépôt à une température inférieure ou égale à 400°C, ce qui permet d'éviter de dégrader les LED tridimensionnelles 101 préalablement formées. A titre d'exemple, la couche 105 est déposée par un procédé de type PECVD-TEOS, c'est-à-dire un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, utilisant du TEOS (orthosilicate de tétraéthyle) liquide comme source de silicium. Après le dépôt, une étape de planarisation de la face supérieure de la couche 105, par exemple par polissage mécano-chimique (CMP) , peut être mise en oeuvre pour obtenir une face supérieure plane.
[0030] La couche 105 peut servir d'interface de collage pour fixer l'ensemble comprenant le substrat de support 100 et les LED élémentaires tridimensionnelles 101 sur un substrat de support temporaire, par exemple en silicium. [0031] A tire d'exemple, le procédé complet de fabrication du dispositif optoélectronique peut comprendre les étapes successives suivantes (non détaillées sur les figures) : a) formation des LED tridimensionnelles 101 sur la face supérieure du substrat 100 ; b) dépôt de la couche de protection 103 puis de la couche d'interface de collage 105 du côté de la face supérieure du substrat 100 ; c) fixation d'un substrat de support temporaire (non visible sur les figures) , par exemple en silicium, sur la face supérieure de la couche 105 ; d) retrait partiel du substrat 100 et réalisation d'électrodes de contact (non visibles sur les figures) du côté de la face inférieure des LED élémentaires 101, en utilisant le substrat de support temporaire comme poignée ; e) fixation et connexion électrique d'un circuit intégré de contrôle des LED élémentaires 101, par exemple un circuit CMOS, du côté de la face inférieure des LED 101 ; et f) retrait du substrat de support temporaire du côté de la face supérieure du dispositif.
[0032] A l'étape c) , le substrat de support temporaire peut être fixé par collage direct ou collage moléculaire de la face inférieure du substrat temporaire sur la face supérieure de la couche 105. La prévision d'une couche d'interface 105 en oxyde de silicium est avantageuse en ce que la fixation d'un substrat temporaire de silicium par collage moléculaire sur une face plane d'une couche d'oxyde de silicium (étape c) ) et le retrait ultérieur du substrat temporaire (étape f) ) sont des procédés bien maîtrisés dans le domaine de la microélectronique .
[0033] A ce stade, les LED élémentaires tridimensionnelles 101 sont par exemple toutes sensiblement identiques, aux dispersions de fabrication près, et émettent toutes sensiblement à la même longueur d'onde.
[0034] Pour obtenir des pixels adaptés à émettre de la lumière à des longueurs d'ondes différentes, on peut prévoir de revêtir les LED élémentaires 101 d'au moins certains pixels d'un élément de conversion photoluminescent (non visible sur les figures) . L'élément de conversion est adapté à absorber des photons à la longueur d'onde d'émission des LED, et à réémettre des photons à une autre longueur d'onde. Par exemple, dans le cas où les LED sont adaptées à émettre majoritairement de la lumière bleue, on peut prévoir, dans des premiers pixels, de revêtir les LED 101 du pixel d'un élément de conversion adapté à convertir de la lumière bleue en lumière rouge, dans des deuxièmes pixels, de revêtir les LED 101 du pixel d'un élément de conversion adapté à convertir de la lumière bleue en lumière verte, et, dans des troisièmes pixels, de laisser les LED 101 non revêtues par un élément de conversion. On obtient ainsi un dispositif d'affichage d'images couleur rouge -vert -b leu .
[0035] Les éléments de conversion photoluminescents sont par exemple des portions d'une couche organique dans laquelle sont noyées des boîtes quantiques, ou des portions d'une couche d'un matériau phosphorescent.
[0036] Dans chaque pixel muni d'un élément de conversion photoluminescent, pour maximiser le couplage entre les LED élémentaires 101 et l'élément de conversion photoluminescent du pixel, on peut prévoir de retirer localement la couche d'oxyde de silicium 105 en vis-à-vis-à-vis des LED 101 du pixel. L'élément de conversion photoluminescent peut alors être déposé au plus proche des LED 101.
[0037] Les figures IA et IB illustrent plus particulièrement des étapes d'un procédé de retrait localisé de la couche d'oxyde de silicium 105 en vis-à-vis des LED élémentaires 101 d'un pixel du dispositif, en vue du dépôt ultérieur d'un élément de conversion photoluminescent.
[0038] La figure IA illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de formation d'un masque de gravure 107 sur la face supérieure de la couche d'oxyde de silicium 105. Le masque 107 est par exemple en résine, et présente une ouverture 109 en vis-à-vis de la portion de la couche 105 que l'on souhaite retirer. Le masque 107 est par exemple réalisé par photolithographie.
[0039] La figure IB illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de retrait de la couche d'oxyde de silicium 105 en vis-à-vis de l'ouverture 109 du masque 107. Lors de cette étape, la couche 105 est retirée sur toute son épaisseur en vis-à-vis de l'ouverture 109. On forme ainsi dans la couche 105 une cavité 111 localisée en vis-à-vis des LED élémentaires 101 du pixel. La cavité 111 est destinée par la suite à recevoir un élément de conversion photoluminescent du pixel. Dans cet exemple, la couche 105 reste intacte en périphérie du pixel.
[0040] La couche 105 est par exemple retirée par un procédé de gravure plasma, par exemple au moyen d'un plasma de type f luoro-carboné, par exemple un plasma à base d ' octaf luorocyclobutane (C4F8) , de monoxyde de carbone (CO) et d' argon (Ar) .
[0041] Le procédé de gravure de la couche 105 est choisi pour être relativement sélectif par rapport au matériau de la couche de protection 103. Toutefois, du fait de l'épaisseur importante de la couche d'oxyde de silicium 105 à graver et du fait des facteurs de forme élevés des LED élémentaires 101, la sélectivité obtenue est en pratique insuffisante. Ainsi, comme l'illustre la figure IB, on observe un facettage important des LED tridimensionnelles 101 pendant la gravure. Autrement dit, les LED 101 situées dans la cavité 111 sont dégradées, et peuvent éventuellement être détruites pendant la gravure.
[0042] Les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un dispositif à LED tridimensionnelles selon un mode de réalisation, visant à pallier l'inconvénient susmentionné du procédé des figures IA et IB.
[0043] La figure 2A illustre une structure intermédiaire similaire à la structure de la figure IA. La structure de la figure 2A diffère de celle de la figure IA principalement en ce que, dans la structure de la figure 2A, la couche d'oxyde de silicium 105 est remplacée par un bi-couche comprenant une couche inférieure 205a en un premier matériau différent de l'oxyde de silicium, et une couche supérieure 205b en oxyde de silicium.
[0044] La couche 205a s'étend sur une épaisseur supérieure à la hauteur des LED élémentaires tridimensionnelles 101. Ainsi, la couche 205a comble entièrement les espaces laissés libres entre les LED 101 et recouvre les LED 101. La couche 205a s'étend par exemple de façon continue sur toute la surface du dispositif. La couche 205a présente de préférence une face supérieure sensiblement plane. A titre d'exemple, l'épaisseur maximale de la couche 205a (entre les LED 101) est comprise entre 5 et 10 pm. La couche 205a est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche de protection 103. La couche 205a est de préférence déposée par un procédé de dépôt à basse température, par exemple à une température inférieure ou égale à 400°C. La couche 205a peut être déposée par un procédé de dépôt à la tournette ("spin coating" en langue anglaise) , présentant l'avantage de planariser la surface supérieure de la couche 205a. [0045] La couche 205b s'étend de façon continue et sur une épaisseur sensiblement uniforme, sur toute la surface du dispositif. La couche 205b est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche 205a. La couche 205b présente une surface supérieure sensiblement plane. La couche 205b peut être déposée par un procédé de dépôt d'oxyde de silicium à basse température, par exemple un procédé de dépôt à une température inférieure ou égale à 400°C A titre d'exemple, la couche 205b est déposée par un procédé de type PECVD-TEOS. Après le dépôt, une étape de planarisation de la face supérieure de la couche 205b, par exemple par polissage mécano-chimique (CMP) , peut être mise en oeuvre pour améliorer sa planéité. L'épaisseur de la couche 205b est par exemple comprise entre 0,5 et 5 pm, par exemple entre 1 et 2 pm.
[0046] La couche 205b peut servir d'interface de collage pour fixer l'ensemble comprenant le substrat de support 100 et les LED élémentaires tridimensionnelles 101 sur un substrat de support temporaire, par exemple en silicium, tel que décrit précédemment .
[0047] Après retrait du substrat de support temporaire, de façon similaire à ce qui a été décrit précédemment des cavités peuvent être formées dans l'empilement des couches 205a et 205b en vis-à-vis de certains pixels du capteur, ces cavités étant destinées à recevoir des éléments de conversion de couleur photoluminescents.
[0048] Les figures 2A, 2B et 2C illustrent plus particulièrement des étapes d'un procédé de retrait localisé de l'empilement des couches 205a et 205b en vis-à-vis des LED élémentaires 101 d'un pixel du dispositif, en vue du dépôt ultérieur d'un élément de conversion photoluminescent.
[0049] Selon un aspect d'un mode de réalisation, la couche 205a est en un matériau tel que la première couche soit gravable sélectivement par rapport aux LED 101 et tel que la couche d'oxyde de silicium 205b soit gravable sélectivement par rapport à la couche 205a. Dans cet exemple, le matériau de la couche 205a est choisi pour être gravable sélectivement par rapport au matériau de la couche de protection 103. A titre de variante, la couche de protection 103 peut être omise, auquel cas le matériau de la couche 205a est choisi pour être gravable sélectivement par rapport aux matériaux semiconducteurs des LED 101.
[0050] La couche 205a est de préférence en un matériau diélectrique. La couche 205a est par exemple en un matériau polymère, de préférence un polymère carboné ou polymère organique. Le matériau de la couche 205a est de préférence résistant à des températures relativement élevées, par exemple comprises entre 400°C et 600°C. Ceci permet de résister à des étapes ultérieures de traitement thermique, notamment lors du dépôt des éléments de conversion photoluminescents .
[0051] Dans un mode de réalisation préféré, le matériau de la couche 205a est un polymère hydrocarboné, par exemple du type connu sous la dénomination commerciale SiLK. A titre de variante, le matériau de la couche 205a peut être un polymère du type couramment désigné par le sigle SoC, de l'anglais "spin-on carbon", c'est-à-dire un matériau polymère à haute teneur en carbone, par exemple de concentration en carbone supérieure à 80%, pouvant être déposé à la tournette. A titre de variante, le matériau de la couche 205a peut être un polyimide .
[0052] La figure 2A illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de formation d'un masque de gravure 107 sur la face supérieure de la couche d'oxyde de silicium 205b. Le masque 107 est par exemple en résine, et présente une ouverture 109 en vis-à-vis de la portion de l'empilement des couches 205a et 205b que l'on souhaite retirer. Le masque 107 est par exemple réalisé par photolithographie.
[0053] La figure 2B illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de retrait de la couche d'oxyde de silicium 205b en vis-à-vis de l'ouverture 109 du masque 107. Lors de cette étape, la couche 205b est retirée sur toute son épaisseur en vis-à-vis de l'ouverture 109. On forme ainsi dans la couche 205b une cavité 111 localisée en vis-à-vis des LED élémentaires 101 du pixel. A cette étape, la gravure est interrompue sur la face supérieure de la couche 205a. Pour cela la couche 205b est retirée par un procédé de gravure adapté à graver l'oxyde de silicium de façon sélective par rapport au matériau de la couche 205a.
[0054] La couche 205b est par exemple retirée par un procédé de gravure plasma, par exemple au moyen d'un plasma de type f luoro-carboné, par exemple un plasma à base d ' octaf luorocyclobutane (C4F8) , de monoxyde de carbone (CO) et d' argon (Ar) .
[0055] La figure 2C illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de retrait de la couche 205a en vis-à-vis de l'ouverture 109 du masque 107. Lors de cette étape, la couche 205a est retirée sur toute son épaisseur en vis-à-vis de l'ouverture 109. On prolonge ainsi la cavité 111 en vis-à-vis des LED élémentaires 101 du pixel. A cette étape, la gravure est interrompue sur la face supérieure de la couche de protection 103 des LED élémentaires 101. Pour cela, la couche 205a est retirée par un procédé de gravure adapté à graver le matériau de la couche 205a de façon sélective par rapport au matériau de la couche de protection 103. A titre de variante, la couche de protection 103 peut être omise, auquel cas la gravure s'interrompt directement sur le matériau semiconducteur des LED élémentaires 101. Dans ce cas, la couche 205a est retirée par un procédé de gravure adapté à graver le matériau de la couche 205a de façon sélective par rapport aux matériaux semiconducteurs des LED 101.
[0056] La couche 205a est par exemple retirée par un procédé de gravure plasma, par exemple au moyen d'un plasma à base de dioxygène, par exemple un plasma à base de dioxygène (O2) et d'argon (Ar) , ou un plasma à base de dioxygène (O2) , de diazote (N2) et de tétraf luorure de carbone (CF4) , ou un plasma à base de dioxyde de soufre (SO2) et de dioxygène (O2) ou un plasma à base d'oxysulfure de carbone (COS) et de dioxygène (O2) . A titre de variante, la couche 205a est retirée au moyen d'un plasma à base de dihydrogène (H2) ou un plasma à base de dihydrogène (H2) et de diazote (N2) . Ces exemples de chimies présentent l'avantage de graver les matériaux polymères carbonés de façon très sélective par rapport au nitrure de silicium de la couche de protection 103, ou par rapport aux matériaux semiconducteurs des LED 101 en l'absence de la couche de protection 103.
[0057] Un avantage du procédé décrit en relation avec les figures 2A, 2B et 2C est qu'il permet d'éliminer le problème de facettage des LED élémentaires 101 du procédé des figures IA et IB. Ceci peut en particulier permettre de réduire l'épaisseur de la couche de protection 103, voire de supprimer entièrement la couche de protection 103. A titre d'exemple, la couche 103 présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 pm.
[0058] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de matériaux et de dimensions ni aux exemples de chimies de gravure mentionnés dans la description.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique, comprenant les étapes suivantes : former, du côté d'une face supérieure d'un premier substrat (100) , une pluralité de LED (101) constituées chacune d'un élément semiconducteur tridimensionnel ;
- déposer, du côté de la face supérieure du premier substrat, une première couche (205a) en un premier matériau différent de l'oxyde de silicium, ladite première couche (205a) entourant latéralement et recouvrant les LED (101) et présentant une face supérieure plane ; et
- déposer une deuxième couche (205b) en oxyde de silicium sur la face supérieure de la première couche (205a) , dans lequel le premier matériau est tel que la première couche (205a) soit gravable sélectivement par rapport aux LED (101) et que la deuxième couche (205b) soit gravable sélectivement par rapport à la première couche, le procédé comprenant en outre une étape de formation, dans l'empilement comportant les première (205a) et deuxième (205b) couches, d'une cavité (111) localisée en vis-à-vis des LED (101) d'un pixel du dispositif, dans lequel ladite étape de formation de la cavité (111) comprend une première étape de gravure de la deuxième couche (205b) par un procédé de gravure sélectif par rapport au matériau de la première couche (205a) , suivie d'une deuxième étape de gravure de la première couche (205a) par un procédé de gravure sélectif par rapport aux LED (101) . Procédé selon la revendication 1, dans lequel la première couche (205a) est en un matériau polymère carboné. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre, avant le dépôt de la première couche (205a) , une étape de dépôt conforme d'une couche de protection (103) revêtant les LED (101) . Procédé selon la revendication 3, dans lequel le premier matériau est gravable sélectivement par rapport à la couche de protection (103) . Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la couche de protection (103) est en nitrure de silicium. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première étape de gravure est une gravure plasma mise en oeuvre au moyen d'un plasma f luoro-carboné . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième gravure est une gravure plasma mise en oeuvre au moyen d'un plasma à base de dioxygène ou de dihydrogène . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre, après l'étape de dépôt de la deuxième couche (205b) et avant l'étape de formation de la cavité (111) , une étape de fixation d'un substrat temporaire sur la face supérieure de la deuxième couche (205b) , puis une étape de retrait du substrat temporaire de façon à libérer l'accès à la face supérieure de la deuxième couche (205b) . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la première couche (205a) est déposée à la tournette .
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