FR2964498A1 - Empilement de led de couleur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une plaque (1) semi-conducteur d'émission de lumière, caractérisé en ce que la plaque (1) comprend successivement : - un substrat (2) support électriquement conducteur, - une pluralité de couches (3, 4, 5) d'émission de lumière, comprenant au moins : o une première couche (3) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, o une deuxième couche (4) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la première et la deuxième couches étant liées par un collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un dispositif semi-conducteur d'émission de lumière, et un procédé de fabrication d'un tel dispositif. L'invention concerne également un procédé de contrôle d'émission de lumière dans un tel dispositif.
ETAT DE L'ART Les diodes électroluminescentes, communément appelées LED (« light-emitting diode ») par l'homme du métier, sont utilisées dans de nombreuses applications, comme par exemple les écrans de téléviseur ou d'ordinateur. En particulier, il existe un besoin croissant pour la fabrication de LED de haute puissance, aptes à émettre une lumière blanche. De manière générale, des dispositifs d'émission de lumière, aptes à émettre une longueur d'onde prédéterminée ou une longueur d'onde contrôlable, sont nécessaires dans de nombreuses applications. On connaît les dispositifs comprenant une LED bleue, associée à un luminophore, pour convertir une partie de la lumière bleue en lumière jaune, ce qui permet d'obtenir une lumière blanche.
Toutefois, dans ce type de dispositif d'émission de lumière, l'introduction d'un luminophore réduit l'efficacité énergétique de l'ensemble. Par ailleurs, la fabrication d'un tel dispositif est délicat, notamment en ce qui concerne l'étape de dépôt de la couche luminophore, ainsi que l'étape de contrôle de son épaisseur.
D'autres solutions incluent l'utilisation de LED de couleur juxtaposées. Toutefois, les solutions connues à ce jour ne sont pas satisfaisantes, aussi bien en termes de performance que de fabrication. Il convient donc de proposer une solution améliorant les dispositifs 30 d'émission de lumière de l'art antérieur.
PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier aux inconvénients précités. A cet effet, l'invention propose une plaque semi-conducteur d'émission de lumière, caractérisé en ce que la plaque comprend successivement : - un substrat support électriquement conducteur, - une pluralité de couches d'émission de lumière, comprenant au moins : o une première couche d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, o une deuxième couche d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la première et la deuxième couches étant liées par un collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison 20 techniquement possible : - la plaque comprend en outre une troisième couche d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la deuxième et la troisième couches étant 25 liées par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle ; - la première couleur est du rouge, la deuxième couleur est du vert, et la troisième couleur est du bleu ; - la plaque comprend en outre au moins une couche d'oxyde ou de polymère, ledit oxyde ou ledit polymère étant électriquement 30 conducteur et transparent à la lumière, ladite couche d'oxyde ou de polymère étant disposée entre les couches d'émission de la plaque, ladite couche d'oxyde ou de polymère étant liée auxdites couches d'émission par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle ; - chaque couche d'émission comprenant une zone dopée p et une zone dopée n, la plaque comprend une électrode en contact de la zone dopée n de chaque couche d'émission ou d'un sous-ensemble des couches d'émission, ladite électrode étant apte à être connectée à une source de courant électrique ; - la plaque comprend en outre au moins une couche d'isolant électrique, ladite couche d'isolant électrique étant disposée entre les couches d'émission de la plaque, ladite couche d'isolant étant liée auxdites couches d'émission par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle ; - chaque couche d'émission comprend une zone dopée p et une zone dopée n, et la plaque comprend une pluralité d'électrodes, disposées de sorte que chacune des zones dopées p et dopées n de chacune des couches d'émission soit connectée à une électrode, les électrodes de chaque couche étant aptes à être connectées à une source de courant électrique différente d'une couche à l'autre ; - la plaque est adaptée pour émettre une lumière blanche, issue de la combinaison de la lumière émise par les couches d'émission ; - la plaque présente un diamètre compris entre 30 et 300 mm. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une plaque semi-conducteur d'émission de lumière, caractérisé en ce qu'il 25 comprend les étapes consistant à : - fournir un substrat support électriquement conducteur, - reporter une première couche d'émission de lumière en contact dudit substrat, ladite première couche étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde 30 d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, - reporter une deuxième couche d'émission de lumière en contact de la première couche par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, ladite deuxième couche étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. Ce procédé de fabrication est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le procédé comprend l'étape consistant à reporter une troisième couche d'émission de lumière en contact de la deuxième couche par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, ladite troisième couche étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement ; - le report successif des couches d'émission comprend, pour chaque couche d'émission : o le report par collage moléculaire de ladite couche d'émission à partir d'un substrat donneur en contact de ladite couche d'émission, et o le détachement dudit substrat donneur ; - le procédé comprend l'étape consistant à déposer entre les 20 couches d'émission, par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle: o une couche d'isolant électrique, ou o une couche d'oxyde électriquement conducteur et transparent à la lumière, ou 25 o une couche de polymère électriquement conducteur et transparent à la lumière. L'invention concerne également un procédé de contrôle d'émission de lumière dans un dispositif semi-conducteur d'émission de lumière, ledit dispositif comprenant successivement : 30 - un substrat support électriquement conducteur, - une pluralité de couches d'émission, comprenant au moins : o une première couche d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, o une deuxième couche d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la première et la deuxième couches étant liées par un collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, o ladite plaque comprenant en outre une électrode en contact de la zone dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat support, ledit procédé comprenant l'étape consistant à alimenter électriquement la plaque par une source électrique connectée, d'une part, au substrat, et, d'autre part, à l'électrode en contact de la zone dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat support, pour l'émission d'une lumière par le dispositif ; - chaque couche d'émission comprend une zone dopée p et une zone dopée n, ladite plaque comprenant une électrode en contact de chaque zone dopée n de chaque couche, ou d'un sous-ensemble de ces couches, ledit procédé comprenant l'étape consistant à alimenter électriquement la plaque par une pluralité de sources électriques différentes, chaque source étant connectée à une desdites électrodes ; - chaque couche d'émission comprend une zone dopée p et une zone dopée n, et la plaque comprend une pluralité d'électrodes, disposées de sorte que chacune des zones dopées p et dopées n de chacune des couches d'émission soit connectée à une électrode, et la plaque comprend une couche d'isolant électrique entre les couches d'émission, ledit procédé comprenant les étapes consistant à alimenter électriquement les couches d'émission de manière indépendante, par des sources électriques différentes d'une couche à l'autre, et connectées auxdites électrodes ; - la plaque comprend en outre une troisième couche d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la deuxième et la troisième couches étant liées par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, la plaque étant alimentée électriquement de sorte à émettre de la lumière blanche.
L'invention présente de nombreux avantages. L'invention permet d'obtenir un dispositif d'émission de lumière, solide et robuste. De plus, l'invention permet une fabrication plus simple d'un dispositif d'émission de lumière.
Enfin, l'invention permet une fabrication à grande échelle de LED, notamment de LED blanches, ce qui permet de réduire les coûts.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention 20 ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une représentation d'un mode de réalisation d'une plaque d'émission de lumière selon l'invention ; - la Figure 2 est une représentation d'un autre mode de réalisation 25 d'une plaque d'émission de lumière selon l'invention ; - la Figure 3 est une représentation d'un mode de réalisation d'une plaque d'émission de lumière selon l'invention, alimentée par une source de courant électrique ; - la Figure 4 est une représentation d'un mode de réalisation d'une 30 plaque d'émission de lumière selon l'invention, alimentée par une pluralité de sources de courant électrique ; - la Figure 5 est une représentation d'un autre mode de réalisation d'une plaque d'émission de lumière selon l'invention, alimentée par une pluralité de sources de courant électrique ; - la Figure 6 est une représentation d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une plaque d'émission de lumière selon l'invention ; - la Figure 7 est une représentation d'un mode de réalisation d'une étape de report d'une couche d'émission selon l'invention ; - la Figure 8 est une représentation d'un exemple de réalisation d'une plaque d'émission de lumière selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE On a représenté en Figure 1 un mode de réalisation d'une plaque 1 semi-conducteur d'émission de lumière selon l'invention.
La plaque comprend successivement un substrat 2 support électriquement conducteur, et une pluralité de couches d'émission de lumière. Le substrat 2 support conducteur comprend par exemple du silicium fortement dopé, ou un métal.
La plaque, alimentée électriquement comme explicité par la suite, permet d'émettre de la lumière. Avantageusement, la plaque 1 est adaptée pour émettre une lumière de longueur d'onde contrôlable. Alternativement, ou en complément, d'autres paramètres de la lumière sont contrôlés, comme la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs. Dans certains modes de réalisation, la lumière est de la lumière blanche. La pluralité de couches d'émission de lumière comprend au moins au moins une première couche 3 d'émission de lumière et une deuxième 30 couche 4 d'émission de lumière.
La première couche 3 d'émission de lumière est constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. De même, la deuxième couche 4 d'émission de lumière est constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. La première et la deuxième couches sont liées par un collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. Le collage moléculaire est basé sur le collage de deux surfaces par adhérence moléculaire, sans l'utilisation d'un liant (colle, cire, etc.). Il s'agit d'un collage résultant des forces attractives d'interaction électronique entres atomes ou molécules, notamment les forces de Van der WalIs, ou les liaisons hydrogène. Selon un aspect avantageux de l'invention, les couches d'émission de lumière sont des couches d'émission présentant un diamètre compris entre 30 et 300 mm, ce qui permet d'obtenir une plaque d'émission de lumière de grande taille (« wafer d'émission »). Il ne s'agit donc pas d'empilement de petits éléments électroluminescents, mais de plaques de semi-conducteur. Le procédé de fabrication d'une telle plaque d'émission sera explicité par la suite. Les matériaux utilisés pour les couches d'émission de lumière sont basés sur le principe d'une jonction P-N. Ainsi, chaque couche d'émission comprend une zone dopée p et une zone dopée n. Lors de l'alimentation électrique de la couche d'émission, les électrons et les trous du matériau se recombinent, ce qui induit l'émission de photons. La longueur d'onde du rayonnement émis est déterminée par la largeur de la bande interdite du matériau semi-conducteur, et dépend donc du matériau utilisé. En général, les couches sont empilées de sorte à ce que la zone 30 dopée n d'une couche soit tournée vers la zone dopée p de la couche d'émission immédiatement supérieure.
Dans un mode de réalisation avantageux, la plaque comprend en outre une troisième couche 5 d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la deuxième et la troisième couches 4 et 5 étant liées par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. Bien sûr, des couches d'émission supplémentaires peuvent être utilisées selon les besoins ou applications. Les différentes couches d'émission qui forment l'empilement actif souhaité, et en particulier l'épaisseur et le nombre de puits quantiques de chaque couche, sont choisies de manière à obtenir les caractéristiques photométriques souhaitées. Les caractéristiques photométriques sont notamment la température de couleur, ainsi que l'indice de rendu des couleurs (connu sous l'acronyme 15 anglais CRI pour Co/or Rendering index). Dans un mode de réalisation avantageux, la première couleur est du rouge, la deuxième couleur est du vert, et la troisième couleur est du bleu. L'ordre d'empilement des couches intervient dans la transmission de la lumière à travers la plaque. 20 Ainsi, l'ordre d'empilement (longueur d'onde décroissante : rouge/vert/bleu) permet la transmission des grandes longueurs d'onde au travers des couches supérieures. Par ailleurs, le rayonnement émis par les couches supérieures a une énergie plus élevée que la bande interdite des couches inférieures, si bien 25 que le rayonnement qui s'oriente vers les couches inférieures peut être absorbé au moins en partie par celles-ci et donner lieu à une nouvelle émission de la part desdites couches inférieures, à la longueur d'onde d'émission du matériau de ces couches. Par exemple, la lumière émise par la couche d'émission rouge 3 30 traverse la couche d'émission verte 4 et la couche d'émission bleue 5, tandis que la lumière émise par la couche d'émission bleue 5 est absorbée par les couches d'émission verte 4 et rouge 3, situées en-dessous de la dite couche d'émission bleue 5. Ceci est réalisable par le choix d'un empilement de longueur d'onde décroissante.
En général, une couche réfléchissante 6 à la lumière est interposée entre le substrat 2 support et la première couche 3 d'émission. Il s'agit par exemple d'une couche en argent Ag. Avantageusement, la plaque 1 est adaptée pour émettre une lumière blanche.
Avantageusement, la lumière blanche est issue de la combinaison de la lumière émise par trois couches d'émission 3, 4, 5. Dans un mode de réalisation illustré en Figure 2, mais non obligatoire, la plaque 1 comprend en outre au moins une couche 7, 8 d'oxyde ou de polymère. Ledit oxyde ou ledit polymère est électriquement conducteur et transparent à la lumière. Cette couche 7, 8 d'oxyde ou de polymère est disposée entre les couches d'émission de la plaque 1, et est liée auxdites couches d'émission par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. A titre d'exemple non limitatif, on peut utiliser un oxyde d'indium- étain, connu de l'homme du métier sous l'appellation ITO (« Indium tin oxide »), qui est un mélange d'oxyde d'indium (III) (In2O3) et d'oxyde d'étain (IV) (SnO2). L'alimentation électrique de la plaque 1 peut être effectuée via une source de courant électrique connectée à la plaque.
Avantageusement, chaque couche d'émission comprenant une zone dopée p et une zone dopée n, la plaque comprend une électrode en contact de la zone dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat support, ladite électrode étant apte à être connectée à une source de courant électrique.
En général, les électrodes sont réalisées à partir d'une couche métallique.
Par exemple, dans le cas de la Figure 3, la troisième couche 5 est la couche disposée du côté opposé au substrat support 2. On a illustré la zone 18 dopée p et la zone 19 dopée n de la troisième couche 5. La plaque 1 comprend une électrode 20 en contact de la zone dopée 5 n de la troisième couche 5 d'émission, apte à être connectée à une source de courant électrique 21. En général, la plaque 1 comprend également une électrode 31 en contact de la zone 26 dopée p de la première couche 3 d'émission. La zone 25 dopée n de la première couche 3 est également illustrée en Figure 3. 10 Ceci permet de d'alimenter la plaque 1 par l'intermédiaire d'une source de courant électrique, connectée au substrat 2 support et à l'électrode en contact de la zone dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat support. Dans un mode de réalisation, la plaque 1 comprend une électrode en 15 contact de la zone dopée n de chaque couche d'émission, ou d'un sous-ensemble desdites couches d'émission, ladite électrode étant apte à être connectée à une source de courant électrique. Comme explicité par la suite, ceci permet de contrôler chaque couche d'émission et non plus seulement la plaque entière. 20 Ceci est illustré en Figure 4, dans laquelle : - l'électrode 11 est connectée à la zone 25 dopée n, et est connectée à la source de courant 27 ; - l'électrode 10 est connectée à la zone 22 dopée n ; - l'électrode 20 est connectée à la zone 18 dopée n. 25 Ainsi, en Figure 4, on dispose de trois sources de courant électriques 21, 24, 27. Ces sources de courant électriques 21, 24, 27 sont connectées respectivement aux électrodes 20, 10, 11. Chacune de ces sources de courant électrique est également connectée au substrat 2 support. Dans un mode de réalisation, la plaque comprend au moins une 30 couche 15, 16 d'isolant électrique.
La couche 15, 16 d'isolant électrique est disposée entre les couches d'émission de la plaque 1, et est liée auxdites couches d'émission par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. On pourra par exemple utiliser une couche de SiO2.
Avantageusement, chaque couche d'émission comprenant une zone dopée p et une zone dopée n, la plaque 1 comprend une pluralité d'électrodes, disposées de sorte que chacune des zones dopées p et dopées n de chacune des couches d'émission soit connectée à une électrode, les électrodes de chaque couche étant aptes à être connectées à une source de courant électrique (comme les sources 21, 24 et 27) différente d'une couche à l'autre. On a illustré une telle configuration en Figure 5 avec trois couches d'émission 3, 4, et 5 : - l'électrode 31 est connectée à la zone 26 dopée p ; - l'électrode 11 est connectée à la zone 25 dopée n ; - l'électrode 32 est connectée à la zone 23 dopée p ; - l'électrode 10 est connectée à la zone 22 dopée n ; - l'électrode 33 est connectée à la zone 19 dopée p ; - l'électrode 20 est connectée à la zone 18 dopée n.
Comme explicité par la suite, ceci permet de contrôler de manière totalement indépendante chaque couche d'émission de lumière. On décrira à présent un procédé de contrôle d'émission à partir de la plaque d'émission de lumière selon l'invention. Dans un mode de réalisation, le procédé de contrôle concerne une plaque 1 comprenant au moins deux couches d'émission, ladite plaque comprenant en outre une électrode 10 en contact de la zone 22 dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat 5 support. Ceci est illustré à titre d'exemple en Figure 3. Ce procédé comprend l'étape consistant à alimenter électriquement la plaque par une source électrique 21 connectée, d'une part, au substrat 2, et, d'autre part, à l'électrode 20 en contact de la zone dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat support, pour l'émission d'une lumière par la plaque 1. Dans le cas où l'on utilise trois couches d'émission, respectivement aptes à émettre dans le rouge, le vert, et le bleu (ordre d'empilement des couches), la lumière obtenue est avantageusement de la lumière blanche, issue de la combinaison des lumières rouge, verte et bleue. La lumière blanche se caractérise par la température de blanc et son indice de rendu des couleurs. Ainsi, en choisissant des couches d'émission présentant des épaisseurs, des matériaux, et des dopages appropriés, on peut obtenir une lumière blanche aux caractéristiques photométriques souhaitées. Avantageusement, chaque couche d'émission comprend une zone dopée p et une zone dopée n, et la plaque comprend une électrode en contact de chaque zone dopée n de chaque couche, ou d'un sous- ensemble desdites couches. Le procédé comprend l'étape consistant à alimenter électriquement la plaque par une pluralité de sources, chaque source étant connectée à une desdites électrodes. Chaque source est également connectée au substrat 2 support.
Ceci est par exemple illustré en Figure 4, déjà commentée auparavant. Ainsi, chaque couche d'émission peut être contrôlée quasiment indépendamment, ce qui permet d'obtenir une lumière dont la longueur d'onde est contrôlable.
Il s'agit d'une alimentation en série des couches avec en outre une alimentation supplémentaire de chaque couche. Le procédé comprend, si nécessaire, une étape d'alimentation sélective d'une ou plusieurs couches parmi les couches d'émission de la plaque, ce qui permet de sélectionner la couleur désirée.
En général, on utilise des sources de courant réversibles, afin de pouvoir alimenter sélectivement des couches d'émission. On entend par source de courant réversible une source apte à émettre dans un sens et dans l'autre (courant positif ou négatif). Ceci est nécessaire pour pouvoir émettre une couleur particulière. Les sources de courant réversibles peuvent être obtenues en combinant 5 deux sources de courant aptes à émettre en sens inverse. En effet, sans couche d'isolant électrique entre les couches d'émission, l'empilement des couches est conducteur. Ainsi, le courant circulant dans la première couche est nécessairement au moins égal à la somme du courant circulant dans les couches supérieures (deuxième et 10 troisième couches, ou autres couches supplémentaires). Par exemple, si l'on souhaite alimenter uniquement la première couche, pour pouvoir émettre uniquement la première couleur, on utilise les sources de courant liées aux deuxième et troisième couches pour « annuler » le courant électrique circulant dans lesdites deuxième et 15 troisième couches. Outre l'utilisation de sources de courant réversibles, ou alternativement, une solution pour alimenter sélectivement une couche d'émission par rapport aux autres consiste à utiliser une des couches d'émission de puissance plus faible à courant égal par rapport aux autres 20 couches d'émission. Dans un mode de réalisation, la première couleur (première couche) est du rouge, la deuxième couleur (deuxième couche) est du vert, et la troisième couleur (troisième couche) est du bleu. Si l'on n'utilise pas de sources de courant réversibles, et qu'on ne 25 diminue pas la puissance de la première couche rouge, on n'accède qu'à la partie « chaude » du spectre, c'est-à-dire les longueurs d'ondes élevées. Ainsi, la lumière blanche émise par cette plaque sera plus proche du « jaune/rouge » que du « blanc froid » (comme la lumière émise par une lampe à néon). 30 Par un choix judicieux des couches d'émission, comme par exemple une couche d'émission rouge de puissance d'émission plus faible à courant égal par rapport aux couches d'émission apte à émettre dans le vert et dans le bleu, on peut néanmoins minimiser l'impact de cette contrainte et revenir vers une température de blanc plus froide. Dans un mode de réalisation non limitatif, l'électrode de la zone n de la troisième couche est réalisée à partir d'une combinaison de Ti/Al/Ni/Au, l'électrode de la zone n de la deuxième couche est réalisée à partir d'une combinaison de Ti/Al/Ni/Au, et l'électrode de la zone n de la première couche est réalisée à partir d'une combinaison de AuGe/Ni/Au. Dans le mode de réalisation où la plaque comprend : - une pluralité d'électrodes, disposées de sorte que chacune 10 des zones dopées p et dopées n de chacune des couches d'émission soit connectée à une électrode, et - une couche d'isolant électrique entre les couches d'émission, le procédé comprend avantageusement les étapes consistant à alimenter électriquement les couches d'émission de manière indépendante, par des 15 sources électriques différentes d'une couche à l'autre, et connectées auxdites électrodes. Ceci permet un contrôle totalement indépendant de chaque couche d'émission de lumière. Ceci est illustré en Figure 5, où la première couche est connectée à 20 la source 21, la deuxième couche à la source 27, et la troisième couche à la source 24. Cette plaque permet un contrôle optimal des caractéristiques photométriques de la lumière obtenue, notamment par le choix de l'intensité du courant qui traverse chaque couche d'émission. 25 Dans tous les modes de réalisation du procédé de contrôle d'émission, il est avantageux d'utiliser trois couches d'émission pour l'obtention d'une lumière blanche. Ceci concerne en particulier le cas d'un empilement rouge, vert, puis bleu. On décrira à présent un procédé de fabrication d'une plaque 30 d'émission de lumière selon l'invention. Le procédé comprend une étape consistant à fournir un substrat 2 support électriquement conducteur, comme par exemple du silicium dopé.
Une autre étape consiste à reporter une première couche 3 d'émission de lumière en contact dudit substrat 2, ladite première couche 3 étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. Une autre étape consiste à reporter une deuxième couche 4 d'émission de lumière en contact de la première couche 3 par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, ladite deuxième couche 4 étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. Ceci est illustré en Figure 6. En général, une électrode en contact de la zone dopée p de la première couche est préalablement formée avant le transfert de ladite couche vers le substrat support.
La connexion de la plaque avec une ou plusieurs sources de courant électrique 21 s'effectuera selon les configurations précédemment décrites Avantageusement, le procédé comprend l'étape consistant à reporter une troisième couche 5 d'émission de lumière en contact de la deuxième couche 4 par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, ladite troisième couche 5 étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. Le collage moléculaire nécessite des surfaces lisses et ayant le moins de défauts possibles. A cet effet, l'étape de collage moléculaire des couches d'émission comprend une étape préalable de polissage et de nettoyage desdites couches. Avantageusement, le report successif des couches d'émission comprend, pour chaque couche d'émission le report par collage moléculaire de ladite couche d'émission à partir d'un substrat donneur en contact de ladite couche, et le détachement dudit substrat support. Le détachement peut par exemple s'effectuer par voie laser, ou par voie chimique (polissage chimique).
Le report et le détachement s'effectuent avantageusement par la technique bien connue de SmartCutTM, comme illustré en Figure 7. La Figure 7 illustre le report d'une première couche 3, à partir d'un substrat donneur 30. Le substrat donneur 30 présente une zone de fragilisation 35, obtenue par implantions d'ions légers, comme des ions H+. La surface de la première couche 3 et la surface du substrat support 2 sont polies et nettoyées en vue de leur collage. Après collage moléculaire de la surface de la première couche et de la surface du substrat support, une fracture est opérée au niveau de la zone 10 de fragilisation, par élévation de la température. Ainsi, le substrat donneur 30 est détaché. Une étape ultérieure consiste à polir et nettoyer la surface de fracture pour préparer le collage moléculaire ultérieur de couches d'émission. Dans le cas où l'on interpose une couche d'isolant électrique, ou une 15 couche d'oxyde électriquement conducteur et transparent à la lumière, ou une couche de polymère électriquement conducteur et transparent à la lumière, le procédé comprend des étapes intermédiaires de dépôt de ces couches par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. On décrira à présent, en référence à la Figure 8, un exemple de 20 réalisation d'une plaque selon l'invention, comprenant trois couches d'émission, respectivement aptes à émettre dans le rouge, le vert et le bleu. Une couche 3 de AIInGaP est épitaxiée sur un support de AsGa ou Ge. La couche de AIInGaP est dopée de sorte à présenter une zone dopée p et une zone dopée n. Cette couche est apte à émettre de la lumière dans 25 la longueur d'onde du rouge. Il est à noter que l'on pourrait tout aussi bien utiliser de l'InGaN avec une teneur de 35% en indium. Par ailleurs, une couche 4 de InGaN est épitaxiée sur une couche de GaN et sur du saphir, avantageusement avec une teneur en ln entre 20 et 30 30%. La couche de InGaN est dopée de sorte à présenter une zone dopée p et une zone dopée n. Cette couche d'InGaN est apte à émettre de la lumière dans la longueur d'onde du vert.
De plus, une couche 5 de InGaN comportant une teneur en ln entre 10 et 20% est épitaxiée sur un support en saphir. La couche de InGaN est dopée de sorte à présenter une zone dopée p et une zone dopée n. Cette autre couche d'InGaN est apte à émettre de la lumière dans la longueur d'onde du bleu. Une électrode 31 en contact de la zone p de la couche de AIInGaP est fabriquée sur sa surface, en même temps qu'un miroir réflecteur de la lumière. Ceci sera par exemple réalisé avec un empilement métallique Zn/Ag, la couche en Ag servant de couche réfléchissante. L'épaisseur de la couche de Zn est minimisée, afin de favoriser le comportement réflecteur de l'empilement métallique. L'ensemble ainsi obtenu est alors reportée sur un substrat 2 support conducteur (Si fortement dopé par exemple, ou substrat métallique) par collage métallique, avec l'électrode en contact de la zone p tournée vers le substrat 2 support conducteur. Il s'ensuit un retrait du support en AsGa ou Ge qui a permis l'épitaxie du matériau AIInGaP. La surface de l'ensemble obtenue après cette étape est repolie de façon à obtenir une surface lisse et présentant pas ou peu de défauts.
On vient alors coller sur cette surface, par collage moléculaire sans faire intervenir de colle, la couche 4 de InGaN épitaxiée sur GaN et sur saphir. La zone dopée p de la couche 4 de InGan est tournée vers la zone dopée n de la couche de AIInGaP. Alternativement, une couche d'oxyde ou de polymère, conducteur électriquement et transparent à la lumière, est déposée entre les deux couches d'émission, par collage moléculaire. Le détachement du substrat saphir ayant servi au support d'épitaxie de la couche d'émission verte est alors réalisé, par exemple par détachement laser. La surface ainsi obtenue est nettoyée et replanarisée, si nécessaire.
On répète l'opération de collage moléculaire sans faire intervenir de colle avec la troisième couche 5 bleue (InGaN comportant une teneur en ln entre 10 et 20%).
Le détachement du substrat saphir ayant servi au support d'épitaxie de la couche d'émission bleue est alors réalisé, par exemple par détachement laser. En fin de procédé, une électrode 36 en contact de la zone n de la 5 couche d'émission bleue est réalisé, par exemple avec un plot en Ti/Al/Ni/Au. Enfin, la surface de la plaque 1, (i.e. la surface de l'électrode 36) est structurée, avantageusement par attaque plasma, ou chimique, ou par formation d'une structure optique, de manière à maximiser l'extraction de 10 lumière de la plaque. Comme le comprend l'homme du métier, l'invention présente de nombreux avantages. La plaque obtenue est une structure solide et robuste. Elle permet une fabrication en série de LED, notamment de LED blanches, grâce à la 15 fabrication de plaques entières d'émission de lumière, pouvant être découpées par la suite. Enfin, l'invention permet d'obtenir une lumière de haute puissance et de qualité. 20
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Plaque (1) semi-conducteur d'émission de lumière, caractérisé en ce que la plaque (1) comprend successivement : - un substrat (2) support électriquement conducteur, - une pluralité de couches (3, 4, 5) d'émission de lumière, comprenant au moins : o une première couche (3) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, o une deuxième couche (4) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la première et la deuxième couches étant liées par un collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle.
- 2. Plaque (1) selon la revendication 1, comprenant en outre une troisième couche (5) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi- 20 conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la deuxième et la troisième couches (4,5) étant liées par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle.
- 3. Plaque (1) selon la revendication 2, dans laquelle : 25 - la première couleur est du rouge, - la deuxième couleur est du vert, et - la troisième couleur est du bleu.
- 4. Plaque (1) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre au 30 moins une couche (7, 8) d'oxyde ou de polymère, - ledit oxyde ou ledit polymère étant électriquement conducteur et transparent à la lumière, 15 - ladite couche (7, 8) d'oxyde ou de polymère étant disposée entre les couches d'émission de la plaque (1), - ladite couche (7, 8) d'oxyde ou de polymère étant liée auxdites couches d'émission par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. 5 Plaque (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle : - chaque couche d'émission comprenant une zone dopée p et une zone dopée n, - la plaque comprend une électrode en contact de la zone dopée n de chaque couche d'émission ou d'un sous-ensemble des couches d'émission, ladite électrode étant apte à être connectée à une source de courant électrique. 6. Plaque (1) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre au moins une couche (15, 16) d'isolant électrique, - ladite couche (15, 16) d'isolant électrique étant disposée entre les couches d'émission de la plaque (1), - ladite couche (15, 16) d'isolant étant liée auxdites couches d'émission par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle. 7. Plaque (1) selon la revendication 6, dans laquelle : - chaque couche (3, 4,
- 5) d'émission comprend une zone dopée p (19, 23, 26) et une zone dopée n (18, 22, 25), et - la plaque comprend une pluralité d'électrodes (10, 11, 20, 31, 32, 33), disposées de sorte que chacune des zones dopées p (19, 23, 26) et dopées n (18, 22, 25) de chacune des couches (3, 4, 5) d'émission soit connectée à une électrode, o les électrodes de chaque couche étant aptes à être connectées à une source de courant électrique (21, 24, 27) différente d'une couche à l'autre. 8. Plaque (1) selon l'une des revendications 1 à 7, adaptée pour émettre une lumière blanche, issue de la combinaison de la lumière émise par les couches d'émission. 9. Plaque (1) selon l'une des revendications 1 à 8, présentant un diamètre compris entre 30 et 300 mm. 10. Procédé de fabrication d'une plaque (1) semi-conducteur d'émission de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - fournir un substrat (2) support électriquement conducteur, - reporter une première couche (3) d'émission de lumière en contact dudit substrat (2), o ladite première couche (3) étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, reporter une deuxième couche (4) d'émission de lumière en contact de la première couche (3) par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, o ladite deuxième couche (4) étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. 11. Procédé selon la revendication 10, comprenant l'étape consistant à reporter une troisième couche (5) d'émission de lumière en contact de la 25 deuxième couche (4) par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, ladite troisième couche (5) étant constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement. 30 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel le report successif des couches d'émission comprend, pour chaque couche d'émission : 20 - le report par collage moléculaire de ladite couche d'émission à partir d'un substrat donneur en contact de ladite couche d'émission, et - le détachement dudit substrat donneur. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, comprenant l'étape consistant à déposer entre les couches d'émission, par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle: - une couche d'isolant électrique, ou - une couche d'oxyde électriquement conducteur et transparent à la 10 lumière, ou - une couche de polymère électriquement conducteur et transparent à la lumière. 14. Procédé de contrôle d'émission de lumière dans un dispositif semi-15 conducteur d'émission de lumière, ledit dispositif (1) comprenant successivement : - un substrat (2) support électriquement conducteur, - une pluralité de couches d'émission, comprenant au moins : o une première couche (3) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une première couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, o une deuxième couche (4) d'émission de lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une deuxième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la première et la deuxième couches étant liées par un collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, o ladite plaque comprenant en outre une électrode (10) en contact de la zone (22) dopée n de la couche d'émission disposée du côté opposé au substrat (5) support, ledit procédé comprenant l'étape consistant à alimenter électriquement la plaque (1) par une source électrique (21) connectée, d'une part, au substrat 20 25 30 (2), et, d'autre part, à l'électrode (20) en contact de la zone (18) dopée n de la couche (5) d'émission disposée du côté opposé au substrat (5) support, pour l'émission d'une lumière par le dispositif (1). 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel chaque couche d'émission comprend : - une zone dopée p et une zone dopée n, - ladite plaque comprenant une électrode en contact de chaque zone dopée n de chaque couche, ou d'un sous-ensemble de ces couches, ledit procédé comprenant l'étape consistant à alimenter électriquement la plaque par une pluralité de sources électriques différentes, chaque source étant connectée à une desdites électrodes. 16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel : - chaque couche (3, 4, 5) d'émission comprend une zone dopée p (19, 23, 26) et une zone dopée n (18, 22, 25), et - la plaque comprend une pluralité d'électrodes (10, 11, 20, 31, 32, 33), disposées de sorte que chacune des zones dopées p (19, 23, 26) et dopées n (18, 22, 25) de chacune des couches (3, 4, 5) d'émission soit connectée à une électrode, et - la plaque comprend une couche d'isolant électrique entre les couches d'émission, ledit procédé comprenant les étapes consistant à alimenter électriquement les couches d'émission de manière indépendante, par des sources électriques différentes d'une couche à l'autre, et connectées auxdites électrodes. 17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel : - la plaque comprend en outre une troisième couche (5) d'émission de 30 lumière, constituée d'un matériau semi-conducteur apte à émettre dans la longueur d'onde d'une troisième couleur lorsqu'il est alimenté électriquement, la deuxième et la troisième couches (4,5) étant liées par collage moléculaire ne faisant intervenir aucune colle, la plaque étant alimentée électriquement de sorte à émettre de la lumière blanche.5
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