FR2964796A1 - Dispositif optoelectronique a base de nanofils pour l'emission de lumiere - Google Patents

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Abstract

Un dispositif optoélectronique comporte : ▪ une zone semi-conductrice active (84) pour la recombinaison radiative de paires électrons-trous réalisée sous la forme d'au moins un nanofil ; ▪ une zone semi-conductrice (88) pour l'injection radiale de trous dans le ou chaque nanofil ; et ▪ une zone semi-conductrice (82) pour l'injection axiale d'électrons dans le ou chaque nanofil.

Description

DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A BASE DE NANOFILS POUR L'EMISSION DE LUMIERE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait aux dispositifs optoélectroniques à base de nano fils pour la production de lumière, notamment des LED (diodes électroluminescentes),.
ETAT DE LA TECHNIQUE La technologie dite «planaire» est la technique couramment mise en oeuvre pour produire des dispositifs émetteurs de lumière, telle que les LED, à base de matériau III-V, et en particulier III-N, et II-VI, comme le GaN, le ZnO ou encore le GaAIAs par exemple, émettant dans le domaine spectral bleu ou pour la conversion en lumière blanche.
Une LED en technologie planaire est usuellement réalisée à partir d'épitaxies successives, notamment par MOCVD (pour «Metal-Organic Chemical Vapour Deposition »), de couches en matériaux semi-conducteurs de la famille III-N.
Ainsi, en se référant à la figure 1, qui est une vue schématique en coupe d'une LED planaire 10 de l'état de la technique, une couche de GaN 12, dopée n par du silicium, est déposée sur un substrat de saphir 14. Une couche active 16, constituée de multi-puits quantiques formés d'une alternance de sous-couches de GaN 18 et de InGaN 20 non intentionnellement dopées, est déposée sur la couche de GaN dopée n 12. Une couche bloqueuse d'électrons d'AlGaN dopée p 22, communément désignée par couche « EBL » (pour « Electron Blocking Layer »), est par ailleurs déposée entre la couche active 16 et une couche de GaN 24 dopée p par du magnésium. Enfin, des contacts électriques inférieur 26 et supérieur 28 sont formés respectivement sur la couche 12 et sur la couche dopée p 24 pour la connexion électrique de la LED 10.
Ainsi, des électrons, injectés dans la couche active 16 au moyen de la couche n 12, et des trous, injectés dans la couche active 16 au moyen de la couche p 24, se recombinent, au moins en partie, de manière radiative dans la couche active 16, les multi-puits quantiques ayant une fonction de confinement, comme cela est connu en soi. De la lumière est ainsi émise par la couche active 16.
La LED planaire à base de semi-conducteurs III-N et de puits quantiques, telle que précédemment décrite, souffre de limitations en termes de performances.
Tout d'abord se posent des problèmes d'injection électrique et de confinement électrique des porteurs.
En effet, d'une part, la mobilité des trous est très faible comparativement à la mobilité des électrons, et d'autre part les trous sont injectés en plus faible concentration que les électrons en raison de la difficulté à activer les atomes de magnésium, ici les accepteurs, dans la couche de GaN dopée p 24 et de la plus forte résistivité de la couche 24 par rapport à la couche 12. La couche EBL 22 est donc nécessaire afin de localiser les recombinaisons radiatives des paires électrons-trous dans les puits quantiques InGaN/GaN.
La couche EBL 22 nécessite cependant d'être conçue avec le plus grand soin, notamment concernant ses bandes d'énergie, sa croissance hétéro-épitaxiale sur une couche 16, et sa composition en matériau ternaire. En effet, une couche d'AlGaN mal conçue a pour effet de bloquer les trous injectés par la couche dopée p 24 et donc de rendre la LED 10 inefficace.
Ensuite se posent des problèmes d'efficacité quantique interne de la LED planaire 10.
On observe une diminution importante de l'efficacité de la LED pour des densités de courant supérieures à 10 A/cm2 en raison d'un phénomène connu sous le nom de «Droop Efficiency », ce qui écarte ainsi la LED de nombreuses applications nécessitant une forte densité de courant supérieure à 200 A/cm2, comme par exemple les écrans ou les éclairages.
Plus particulièrement, le phénomène de « Droop Efficiency » est lié aux sources de pertes par recombinaison non radiatives des paires électrons-trous, au rang desquels il est possible de citer : ^ la délocalisation des porteurs de charge hors des zones riches en indium dans les multi-puits quantiques InGaN/GaN ; ^ les pertes dues aux dislocations et défauts ponctuels ; ^ les pertes par effet thermique ; ^ la polarisation piézoélectrique importante entre les hétéro-structures InGaN/GaN qui engendre une séparation spatiale des paires électrons-trous et l'apparition d'états d'interfaces ; ^ les recombinaisons Auger, par des mécanismes directs ou assistés par phonons ; et ^ l'injection inefficace des porteurs en raison de l'échappement des électrons hors des multi-puits quantiques et la faible concentration de trous dans ces puits.
Ces pertes sont d'autant plus importantes que la densité de porteurs est grande.
Afin de réduire le « Droop Efficiency », et donc augmenter la densité de courant applicable à une LED sans détérioration notable de son efficacité, il convient de réduire la densité des porteurs de charge dans la zone de recombinaison radiative des paires électrons-trous.
Pour ce faire, il a été proposé dans l'article de N.F. Gardner et al., « Blue-emitting InGaN-GaN double-heterostructure light-emitting diodes reaching maximum quantum efficiency above 200 A/cm2 », Applied Physics Letters 91, 243506 (2007), de substituer les multi-puits quantiques, qui de par leur nature induisent un « Droop Efficiency » même pour de faibles valeurs de densité de courant, par une double hétéro-structure, telle que représentée sur la figure 2.
Comme illustré sur cette figure schématique en coupe d'une LED planaire 30, les multipuits quantiques InGaN/GaN sont ici remplacés par une unique couche d'InGaN non intentionnellement dopée 32, qui forme avec les couches 12 et 22 une double hétérostructure 34.
Comparativement à la LED à multi-puits quantiques 10 de la figure 1, la LED à double hétéro-structure 30 présente une augmentation de l'efficacité pour des densités de courant élevée de l'ordre de 200 A/cm2. En effet, l'augmentation du volume de matériau InGaN, dans lequel sont réalisées les recombinaisons des paires électrons-trous, a pour effet de diminuer la densité des porteurs de charge, principale cause du « Droop Efficiency ».
Cette amélioration a ainsi été démontrée sur des dispositifs émettant autour de 440 nanomètres avec à une double hétéro-structure GaN/InGaN de l0nm d'épaisseur et contenant environ 14% d'indium.
Cependant, la LED planaire à double hétéro-structure 30 souffre elle aussi de limitations 30 fondamentales.
Tout d'abord, on retrouve les problèmes génériques d'injection électrique et de rendement quantique interne limité propres aux LEDs planaires, à savoir que la couche EBL 22 est nécessaire, et pose donc les mêmes problèmes que précédemment décrits, et 35 que le volume de la zone active 32 est réduit comparativement au volume total de la LED 30. Ensuite, la double hétéro-structure 34, si elle résout effectivement des problèmes inhérents à la structure sous forme de multi-puits quantiques, connaît des problèmes qui lui sont propres.
En effet, compte tenu de la grande différence de paramètre de mailles entre l'InGaN de la couche 32 et le GaN de la couche 12, à savoir une différence d'environ 10%, il est difficile d'épitaxier du matériau InGaN avec une forte concentration d'indium et/ou de forte épaisseur. En effet, au delà d'une épaisseur appelée « épaisseur critique », des défauts cristallins apparaissent au sein du matériau InGaN, défauts qui provoquent une perte sensible du rendement quantique interne en raison des recombinaisons non radiatives qu'ils engendrent.
Ainsi pour obtenir une forte densité de courant dans la LED 30 en augmentant le volume 10 d'InGaN, il convient d'avoir une faible composition en indium de la couche 32, ce qui limite les longueurs d'ondes qu'il est possible d'émettre au spectre bleu.
La double hétéro-structure planaire introduit donc un antagonisme fort entre la longueur d'onde d'émission de la LED et la densité de courant possible sans perte d'efficacité. Parallèlement à la technologie des LEDs planaires, on connaît des LEDs à base de nano fils InGaN/GaN, fabriquées également par croissance épitaxiale, notamment par épitaxie MBE (pour « Molecular Beam Epitaxie ») ou par épitaxie MOCVD.
20 On distingue dans l'état de la technique deux catégories de LEDs à base de nano fils : celles dont la zone active des nano fils comprend des structures de confinement à multi-puits quantiques épitaxiés axialement, c'est-à-dire selon l'axe de croissance des nano fils, et celles dont la zone active des nano fils comprend des structures de confinement à 25 multi-puits quantiques épitaxiés radialement, c'est-à-dire dans un volume formé autour de l'axe de croissance des nanofils.
Sur la figure 3, il est représenté de manière schématique en coupe un exemple de nano fil 40 à multi-puits quantiques épitaxiés axialement. Le nanofil 40 est formé d'une zone en 30 GaN dopée n 44 par du silicium, formée sur un substrat en silicium dopé n+ 42, sur laquelle est formée une zone active 46 constituée de multi-puits quantiques axiaux formés d'une alternance de zones de GaN 48 et de zones InGaN 50 non intentionnellement dopées. Une zone de GaN 52, dopée p par du magnésium, est par ailleurs déposée sur une zone EBL 54, elle-même déposée sur la zone active 46. 35 Selon cette géométrie axiale, les électrons et les trous sont injectés dans la zone active 46 respectivement au moyen du substrat 42 et de la zone 52, et se recombinent, au moins en partie de manière radiative, dans la zone active 46. 15 Sur la figure 4, il est représenté de manière schématique en coupe un exemple de nanofil 60 à multi-puits quantiques épitaxiés radialement sur un substrat en silicium dopé n+ 62. Le nanofil 60 comporte un coeur 64 en GaN dopé n par du silicium, entouré d'une zone active 66 constituée de multi-puits quantiques radiaux formés d'une alternance de zones de GaN 68 et de zones InGaN 70 non intentionnellement dopées. Un volume EBL 74 entoure la zone active 66, le volume EBL 74 étant lui-même entouré d'un volume de GaN dopé p 72 par du magnésium. Les zones 66, 74 et 72 sont par ailleurs formées sur une couche d'isolation électrique 76.
Selon cette géométrie radiale, les électrons et les trous sont injectés dans la zone active 66 respectivement au moyen du substrat 62 et de la zone 72, et se recombinent, au moins en partie de manière radiative, dans la zone active 66.
Les nano fils, et plus particulièrement leur procédé de fabrication, présentent un certain 15 nombre d'avantages, notamment : ^ une croissance de nanofils sur substrats, chacun constitués d'un matériau désaccordé en paramètre de maille l'un par rapport à l'autre. Ainsi, le silicium, qui est un substrat à bas coût, fabricable à grande taille et conducteur, peut être envisagé pour la croissance de nano fils en matériau III-N, ce qui est impossible en technologie 20 planaire. Cette alternative présente des avantages à la fois en termes de coût de production et de simplification des procédés de fabrication, notamment au niveau de l'injection électrique ; ^ une bonne qualité cristalline due à la relaxation des contraintes aux surfaces libres. Ainsi on observe naturellement une diminution du nombre de centres de 25 recombinaisons non-radiatifs par rapport aux structures planaires, et notamment une absence de dislocations traversantes ; et ^ une meilleure extraction de la lumière sans complexification des procédés de fabrication.
30 D'autre part, les LED à base de nanofils sont moins limitées en termes de longueur d'onde à émettre que les LED planaires car on peut étendre la gamme de composition en alliage constituant la couche active.
Toutefois, les LEDs à base de nanofils venant d'être décrites souffrent elles aussi de 35 limitations fondamentales.
Tout d'abord, quelle que soit la géométrie adoptée pour une LED à base de nanofils de l'état de la technique, une zone EBL est nécessaire pour confiner les porteurs. Ainsi, comme pour les LEDs planaires, une croissance parfaitement contrôlée à la fois en termes de morphologie, de composition, d'épaisseur et de dopage des semi-conducteurs III-N binaires et ternaires de la zone EBL est indispensable.
En outre, la zone active présente là encore un volume réduit par rapport au volume total du nanofil, ce qui implique une efficacité quantique interne limitée.
Enfin, les zones actives des LED à base de nanofils de l'état de la technique se présentent sous la forme de multi-puits quantiques. Ainsi, quand bien même on observerait un meilleur comportement de ces LED vis-à-vis du « Droop efficiency » par rapport aux diodes planaires à multi-puits quantiques de l'état de la technique, il n'en demeure pas moins que la présence des multi-puits quantiques implique une densité de courant limitée applicable aux LEDs avant une diminution sensible de leur efficacité.
Ainsi donc, il n'existe pas à ce jour de LED permettant à la fois d'avoir une densité de courant élevée, une efficacité quantique interne élevée et une grande liberté de choix quant à la longueur d'onde émise. EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes susmentionnés en proposant un dispositif optoélectronique qui présente l'ensemble de ces avantages. 25 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif optoélectronique comportant : ^ une zone semi-conductrice active pour la recombinaison radiative de paires électrons-trous réalisée sous la forme d'au moins un nanofil ; ^ une zone semi-conductrice pour l'injection radiale de trous dans le ou chaque 30 nanofil ; et ^ une zone semi-conductrice pour l'injection axiale d'électrons dans le ou chaque nanofil.
Par «injection axiale », il faut comprendre ici que l'injection des électrons dans la zone 35 active est majoritairement réalisée selon la direction de croissance du nanofil. Par exemple, l'injection d'électrons se fait par la base du nanofil.20 Par «injection radiale », on entend ici que l'injection des trous dans la zone active est majoritaire réalisée par la surface latérale du nanofil. Par exemple, la zone d'injection de trous enrobe la zone active au moins partiellement sur une partie de sa hauteur.
En d'autres termes, le fait de prévoir l'injection axiale des électrons permet de libérer le coeur du nano fil pour la zone active qui représente alors l'essentiel du volume du nano fil. En effet, en raison de leur mobilité très élevée, les électrons occupent l'ensemble du volume de la zone active malgré la surface d'injection réduite.
Ensuite, puisque le dispositif est à base de nanofils, il est possible d'obtenir un bon confinement des porteurs de charges tout en limitant leur concentration, source du « Droop efficiency » par un choix approprié de la hauteur des nanofils, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite.
Ensuite, les nanofils n'étant pas sensibles au paramètre de maille, le choix de la hauteur des nanofils, notamment pour obtenir une densité de courant appropriée sans «Droop efficiency », est décorellé du choix de la composition du semi-conducteur constitutif de la zone active, par exemple la composition en indium dans le cas d'un dispositif à base de GaN. Le choix de la longueur d'onde d'émission est ainsi plus large. Il est ainsi possible de fabriquer des LED à base de nano fils émettant dans le spectre visible, notamment du rouge au bleu dans le cas d'une LED à base de GaN, voire même de réaliser une LED émettant une lumière blanche en variant la composition en indium lors de l'épitaxie du coeur du nano fil.
Par ailleurs, la zone active représentant l'essentiel du volume du nanofil, le dispositif selon l'invention présente un rendement quantique interne amélioré même à forte densité de courant d'injection.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la zone active est constituée d'un unique matériau semi-conducteur. Plus particulièrement, la zone active est constituée d'un matériau semi-conducteur de type III-V ou de type II-VI, et en particulier de type III-N.
En d'autres termes, le nanofil présente une structure du type à double hétéro-structure, ce qui permet une amélioration sensible de l'efficacité quantique interne.
En effet tout d'abord, le volume de matériau actif est largement augmenté par rapport à une structure à multi-puits quantiques. Ensuite, comme précédemment exposé, la zone active possède une bonne qualité cristalline, et ce malgré une grande hauteur de la zone active et/ou une forte composition en In par exemple.
En outre, la réduction du nombre d'hétéro-interfaces GaN/InGaN par rapport à une structure à multi-puits quantiques, ainsi que la relaxation des contraintes entre les matériaux de différents paramètres de maille (i.e.: InGaN / GaN), limitent les champs piézoélectriques à l'intérieur de la structure au niveau des hétéro-interfaces. Ainsi loin de ces interfaces, les bandes d'énergies sont peu affectées.
Selon une variante de l'invention : ^ la zone active est constituée d'InGaN non intentionnellement dopé ; ^ la zone dopée p est constituée de GaN dopée p ou de InGaN dopé p de 15 concentration en In inférieure à celle de la zone active ; et ^ la zone dopée n est constituée de Si dopé n ou de GaN dopé n.
Selon une variante de l'invention, la hauteur de la zone active présente une valeur minimale sélectionnée selon la relation : .e.B.WDH k.T (4.Nc2(EF-Ec F.Jove ow = 20 où F est le facteur de remplissage des nano fils, Joverflow est la densité de courant maximale supportée par les nanofils sans saturation en électrons, Nc est la densité d'états effective 25 de la bande de conduction du matériau, e est la charge élémentaire, B est le coefficient de recombinaison bimoléculaire du matériau, et WDH est la valeur minimale de la hauteur de la zone active. En d'autres termes, en choisissant une hauteur de zone active suffisante c'est-à-dire 30 supérieure à la valeur donnée dans la relation ci-dessus, on s'assure que le dispositif peut supporter une densité de courant de valeur au plus Joverflow sans pertes. Selon une variante de l'invention, la zone active est réalisé en InGaN, et : ^ les nanofils ont une densité comprise entre 108 et 1010 par centimètre carré ; 35 ^ les nano fils ont un diamètre compris entre 50 nanomètres et 500 nanomètres ; et ^ la hauteur de la zone active des nanofils est comprise entre 40 nanomètres et 5 micromètres.
Plus particulièrement, pour supporter des densités de courant macroscopiques de 200 A/cm2, si les nanofils ont une densité de 4.109 cm-2, un diamètre de 100 nanomètres, l'épaisseur minimale de la zone active est de 40 nanomètres afin d'éviter les pertes par "débordement" (overflow en anglais). Selon un mode de réalisation de l'invention, il n'y a pas de zone bloqueuse d'électron entre la zone active et la zone dopée p, facilitant ainsi la conception du dispositif.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les nanofils sont formés sur un substrat en 10 matériau semi-conducteur dopé n, et la zone active du nano fil repose sur le substrat, le substrat formant la zone d'injection d'électrons. La fabrication des nanofils se résume donc ici à la croissance de la zone active sur un substrat, suivi du dépôt d'une couche dopée p sur les extrémités libres des nanofils.
15 Selon un autre mode de réalisation, le nanofil comporte une base en semi-conducteur dopé n pour l'injection d'électrons. En variante, les nanofils sont formés sur substrat qui comporte une couche continue de matériau semi-conducteur dopé n, de la même famille que le matériau constitutif de la zone active, et sur laquelle reposent les nanofils, ladite couche continue formant la zone pour l'injection d'électrons. 20 En d'autres termes, la base en semi-conducteur dopé n des nanofils et la couche continue dopé n permettent un choix plus large de matériaux pour le substrat.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les nanofils sont formés sur un substrat, et la 25 zone dopée p enrobe partiellement la portion des nano fils opposée au substrat, notamment la partie haute des nanofils. Plus particulièrement, la zone dopée p enrobe moins des trois quarts de la périphérie des nanofils.
En laissant ainsi une partie de la surface périphérique de la zone active libre, l'indice 30 optique moyen de la couche émettrice de lumière du nanofil est diminué, ce qui améliore l'efficacité d'extraction de lumière du dispositif.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la zone pour l'injection de trous forme une couche de matériau planarisante, ce qui facilite le dépôt ultérieur d'un contact ohmique. 35 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques, et dans lesquels : ^ la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une LED planaire à multi-puits quantiques de l'état de la technique, telle que décrite dans le préambule ; ^ la figure 2 est une vue en coupe schématique d'une LED planaire à double hétéro- structure de l'état de la technique, telle que décrite dans le préambule ; ^ la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un nanofil de LED à multi-puits quantiques axiaux de l'état de la technique, tel que décrit dans le préambule ; ^ la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un nanofil de LED à multi-puits quantiques radiaux de l'état de la technique, tel que décrit dans le préambule ; ^ la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un nanofil de LED selon un premier mode de réalisation de l'invention ; ^ la figure 6 est un tracé de la densité de courant maximale de courant sans "overflow" dans la LED de la figure 5 ; ^ les figures 7 à 9 sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication de la LED de la figure 5 ; ^ les figures 10 à 12 sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication d'une LED selon un second mode de réalisation de l'invention ; ^ les figures 13 à 15 sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication d'une LED selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et ^ les figures 16 et 17 sont des vues schématiques en coupe illustrant une variante de fabrication d'une LED selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En se référant à la figure 5, une LED 80 selon un premier mode de réalisation de l'invention comporte un substrat de silicium de type n 82, sur lequel sont formés des nano fils 84 en matériau semi-conducteur de la famille III-V ou II-VI, préférentiellement de la famille III-N. Les nanofils 84 sont enrobés dans leur partie supérieure 86 par une couche planarisante 88 en matériau dopé p de la même famille que celle du matériau des nano fils 84, mais présentant un gap d'énergie supérieur de manière à permettre l'injection de trous depuis la couche 88 vers les nanofils 84. La couche 88 est par ailleurs isolée du substrat 82 afin d'éviter un court circuit. Par exemple, la couche 88 s'arrête au dessus du substrat 82. Enfin, des contacts ohmiques supérieur 92 et inférieur 90 sont formés respectivement sur la couche 88 et sous le substrat 82. 10 La LED 80 fonctionne de manière classique : les électrons sont injectés dans un nanofil 84 via le substrat 82 et les trous sont injectés dans le nano fil 84 via la couche 88. Les paires électrons-trous injectés se recombinent donc, au moins partiellement de manière radiative, dans le nanofil 84 qui constitue une zone active. On notera donc que la LED 80 présente une structure du type à double hétéro-structure puisqu'il existe pour chaque nanofil 84 une première hétéro-structure formée du nanofil 84 et du substrat 82, et une seconde hétéro-structure formée du nano fil 84 et de la couche 88. 10 Comme précédemment décrit, le fait que l'injection des électrons soit réalisée axialement, dans l'exemple par la base du nanofil, n'est pas restrictif du point de vue de l'injection électrique en raison de la grande mobilité des électrons. En outre, tout point du nanofil 84, c'est-à-dire de la zone active, se trouve à une distance inférieure ou égale au rayon du 15 nanofil. La surface d'injection des trous est donc à la fois très grande et très proche de chaque point de la zone active.
Le substrat 82 est sélectionné de manière à présenter une résistivité faible, notamment de l'ordre de 0,001 ohm/cm, afin de faciliter l'injection d'électrons dans les nanofils 84, et 20 est par exemple constitué de Si dopé n+ d'une épaisseur de 400 nanomètres. Ce substrat peut d'autre part supporter l'épitaxie des nanofils de GaN.
Par ailleurs, tout type de matériau semi-conducteur pouvant être modulé en énergie et épitaxié sous forme de nano fils peut entrer dans la constitution des nanofils 84 et de la 25 couche dopée p 88.
Par exemple, la LED 80 est réalisée à base de GaN : les nanofils 84 sont constitués de InGaN non intentionnellement dopés, et comportant un dopage n résiduel inférieur à 1016 électrons/cm3, dont la composition en indium est choisie en fonction de la longueur 30 d'onde à émettre par la LED 80. La couche planarisante 88 est constituée de GaN dopée p par du magnésium, ou de InGaN dopé p par du magnésium de composition en indium inférieure à celle des nanofils 84, le matériau de la couche 88 présentant une concentration de porteurs p de l'ordre de 1018 trous/cm3.
35 En variante, la LED 80 est réalisée à base de ZnO : les nano fils 84 sont constitués de ZnO et la couche 88 dopée p est constituée de ZnMgO, ou bien les nanofils sont constitués de ZnCdO et la couche 88 est constituée de ZnO. En variante encore, la LED 80 est réalisée à base de GaAIAs, les nano fils 84 sont constitués de GaAs et la couche 88 dopée p est5 constituée de GaAIAs, ou bien les nanofils sont constitués de InGaAs et la couche 88 est constituée de GaAs. En variante encore, la LED 80 est réalisée à base de AlInGaP, les nano fils 84 sont constitués de A1GaInP et la couche 88 est constituée du même matériau mais avec une composition plus forte en aluminium.
Le contact supérieur 92, qui délimite spatialement la taille macroscopique de la LED 80, par exemple un carré de lmm', peut quant à lui être constitué de différents empilements, comme par exemple un contact semi-transparent fin en alliage de Ni et d'Au, ou bien en oxyde d'indium-étain (ou ITO pour «Indium Tin Oxyde »), recouvert d'un peigne épais,
par exemple en alliage de Ni et d'Au pour diminuer sa résistance série. Le contact inférieur 90 est déposé sur la totalité de la face inférieure du substrat et est par exemple constitué d'un alliage de NiSi recouvert d'Au.
Grâce à son architecture en nanofil, réalisable quel que soit le type de matériau semi-conducteur choisi en raison du peu d'influence du paramètre de maille, il existe un large choix quant à la longueur d'onde émise par la LED 80. En faisant l'hypothèse de nanofils 84 cylindriques, le facteur de remplissage F, égal au 20 ratio entre l'aire totale des bases des nanofils sur l'aire du substrat 82, peut être calculé selon la relation : F = 4 .d2.dn 25 où :
^ d est le diamètre des nanofils 84 ; et
^ d' est la densité surfacique des nanofils 84, exprimée en nombre de nanofils par
2 cm. 30 En fixant le diamètre d des nanofils à 100 nm et leur densité à 4.109cm 2, le facteur F est alors égal à 0,314. Ce facteur F permet de pondérer la densité de courant macroscopique afin de prendre en compte la différence entre l'aire du dispositif et la somme des aires de la base des nanofils. 35 En raison du peu d'influence du paramètre de maille, il est possible de vérifier que la hauteur de la zone active des nano fils 84 en fonction de la densité de courant souhaitée Joverflow soit suffisante pour éviter tout phénomène d'overflow (ou phénomène de « débordement »).
Plus particulièrement, pour des nanofils constitués d'un matériau semi-conducteur supposé dégénéré tel que EF - Ec 5, c'est à dire sous forte injection électrique, dont la k.T hauteur est WDH (i.e. la hauteur de la zone active), la valeur minimale Joverflow de la densité de courant avant d'obtenir une saturation des états dans la zone active (ou courant de « débordement », tout courant supplémentaire ne voyant alors pas la zone active) est obtenue selon la relation: F.JOVe ,ow = .e.B.WDH k.T (4.Nc 2 (EF -Ec où : ^ F est le facteur de remplissage des nano fils 84 ; ^ Nc est la densité effective d'états de conduction dans la bande de conduction du matériau des nanofils 84 ; ^ EF et Ec sont respectivement les niveaux d'énergie de Fermi et de conduction du 15 matériau des nanofils 84 ; ^ k est la constante de Boltzmann ; ^ T est la température de jonction (température de la zone active) des nanofils 84 ; ^ e est la charge élémentaire ; et ^ B est le coefficient de recombinaison bimoléculaire du matériau des nano fils 84. 20 Une hauteur minimale WDH des nano fils 84 sélectionnée de cette manière a pour effet que lorsqu'une densité de courant Joverflow est injectée dans les nanofils 84, le niveau de Fermi de la double hétéro-structure atteint le sommet de la barrière d'énergie séparant les niveaux d'énergie EF et Ec. La densité des porteurs de charge dans les nanofils 84 est 25 alors maximale, toute augmentation supplémentaire de la densité de courant n' entrainant pas d'augmentation de la densité des porteurs de charge, puisque ces derniers s'échappent des nanofils 84 sans se recombiner. En d'autres termes, pour toute valeur de densité de courant inférieure ou égale à Joverflow , les porteurs ne s'échappent pas des nanofils 84, de sorte que le phénomène de « Droop Efficiency » est diminué. 30 La figure 6 est un tracé de la valeur Joverflow en fonction du ratio WFH pour des nanofils 84 en InGaN avec une composition en indium de 15%, pour lequel : ^ Nc=1018cm3; ^ EF - Ec = 150 meV ; 35 ^ B=10-11cm3.s1; ^ et T est la température de jonction.
Il est intéressant de noter que la valeur Joverflow est directement proportionnelle au ratio DH , et donc à l'épaisseur de la zone active, c'est-à-dire la hauteur WDH des nanofils,
pour un facteur de remplissage F donnée . Ceci est vrai dans le cas de non confinement WDH F quantiques, la quantification des niveaux d'énergie rend encore plus critique l'augmentation de la densité de courant sur l'échappement des porteurs.
Compte tenu des densités de courant de fonctionnement souhaitées pour les LEDs, typiquement des densités supérieures ou égales à 200 A/cm2, on peut fixer le ratio WFH minimum à l5nm sans avoir une chute importante du rendement quantique interne de la LED 80.
Par ailleurs, afin d'assurer son rôle de structure de confinement de manière efficace, la hauteur maximale des nanofils 84 est choisie inférieure à la longueur de diffusion des porteurs. Une hauteur maximale des nanofils 84 de quelques microns permet d'obtenir un confinement efficace.
Des nano fils 84 dont la hauteur minimale est de 40 nm, et dont la hauteur maximal n'excède pas quelques micromètres permettent donc à la fois d'assurer un bon confinement des porteurs de charge tout en évitant la chute du rendement quantique interne en raison des pertes par échappement des porteurs hors de la zone active.
Plus particulièrement, pour les nanofils en InGaN précédemment décrits, une densité de courant supérieure ou égale à 200 A/cm2 avant le « Droop Efficiency » est obtenue. 25 Plus généralement, cette caractéristique est atteinte pour des nanofils 84 en InGaN ayant un ratio DH supérieur à 5 nm, ou ayant: ^ une densité surface d' comprise entre 108 et 1010, par exemple une densité de 4.109cm 2; 30 ^ les nanofils ont un diamètre d compris entre 50 nanomètres et 500 nanomètres, par exemple un diamètre de 100 nanomètres ; et ^ la hauteur de la zone active des nanofils est comprise entre 40 nanomètres et 5 micromètres. quantique, c'est-à-dire pour un ratio supérieur à 5 nm. Dans le cas des puits La structure de nano fils de la LED 80 permet également un gain du rendement quantique interne par rapport à l'état de la technique en raison du volume élevé des zones actives qui forment le coeur des nano fils 84.
Par exemple, en comparant la LED 80 selon l'invention à la LED 40 à base de nanofils à multi-puits quantiques axiaux décrite à la figure 3, et en fixant un même diamètre de nanofils pour ces LED ainsi qu'une même densité surfacique, le rapport du volume V1 de la zone active dans la LED 80 sur le volume V2 de la zone active dans la LED 40 est égal à: ^ WDH V2 nWQW où : ^ n est le nombre de puits quantiques dans la LED 40, et ^ WQw est la dimension axiale des multipuits quantiques au sein de la zone active 46.
Le tableau 1 ci-dessous détaille la valeur du rapport V1/V2 dans différentes configurations : ^ LED 80 dont la zone active a une hauteur WDH de 1µm ou de 100 nm ; et ^ LED 40 contenant 5 puits quantiques pour une épaisseur WQw égale à 2,5 nm. 20 Le tableau 1 détaille également plusieurs rapports V1/V2 selon plusieurs hypothèses concernant le fonctionnement réel de la LED 40 à multi-puits quantiques, à savoir : ^ hypothèse 1 : les recombinaisons radiatives des paires électrons-trous se produisent dans la totalité du volume de la zone active 46 des nano fils ; 25 ^ hypothèse 2 : l'épaisseur de la zone dans laquelle les recombinaisons radiatives ont lieu ne dépasse pas 1nm, pour 2,5 nm d'épaisseur réelle. Cette hypothèse repose sur les résultats de la publication N.F. Gardner et al., « Blue-emitting InGaN-GaN double-heterostructure light-emitting diodes reaching maximum quantum efficiency above 200 A/cm2 », Applied Physics Letters 91, 243506 (2007) qui démontrent 30 cette réduction de l'épaisseur effective de la zone active à cause de la présence d'intenses champs piézoélectriques internes ; et ^ hypothèse 3 : les recombinaisons radiatives ont lieu uniquement dans le puits quantique situé le plus proche de la zone d'injection de trous 52, comme cela est le cas des structures LEDs planaires à multi-puits quantiques InGaN/GaN. 15 35 Hypothèse 1 : Hypothèse 2 : Hypothèse 3 : WDH =1µm 80 200 1000 WSQ = 2,5 nm WDH =100nm 8 20 100 WSQ = 2,5 nm Tableau 1 Il apparaît donc clairement à la vue de ce tableau que le volume de matériau actif est largement augmenté dans la LED selon l'invention, de 8 à 1000 fois selon les l'hypothèse retenue. Par conséquent, le rendement quantique interne de la LED 80 est grandement amélioré par rapport une LED à base de nanofils à multi-puits quantiques axiaux.
De même, en comparant la LED 80 selon l'invention à la LED 60 à base de nanofils à multi-puits quantiques radiaux décrite à la figure 4, et fixant le diamètre hors zone d'injection de trous identique pour les deux LED ainsi que leur densité surfacique en nanofils, le rapport du volume V1 de la zone active dans la LED 80 sur le volume V3 de la zone active dans la LED 60 est égal à : n .R12.L1 _ V3 2.n .R3.L3 .n.WQW ou : ^ R1 est le rayon des nanofils 84 de la LED 80 selon l'invention ; - L1 = WDH est la longueur des nanofils 84 ; ^ R3 est le rayon du coeur des nano fils dans la LED 60 à base de nanofils à multi-puits quantiques radiaux, c'est-à-dire le rayon sans la zone 72 ; ^ L3 est la hauteur des nanofils dans la LED 60 ; ^ WQw est l'épaisseur des multi-puits quantiques dans la la LED 60, c'est-à-dire 25 l'épaisseur du cylindre formé de la zone active 66 de la LED 60 ; et ^ N est le nombre de puits quantiques dans la LED 60.
Le tableau 2 détaille différents rapports V1/V3 pour R1 = R3 = R =50nm, L1 = L3, n = 5 et WQw = 2,5 nm, ainsi que pour les hypothèses quant au fonctionnement réel de la LED 60 30 telles que précédemment décrites.
Hypothèse 1 : Hypothèse 2 : Hypothèse 3 : R = 50nm 2 5 25 Tableau 2 Là encore, on observe une augmentation sensible du gain en volume, et donc du gain en rendement quantique interne de la LED 80 par rapport à la LED 60.
On notera par ailleurs, que comparativement à la LED planaire à double hétéro-structure 30 décrite à la figure 2, pour obtenir le même volume total de matériau InGaN dans la LED 80 il suffit de prévoir une hauteur WDH des nanofils 84 1/F fois supérieur à l'épaisseur de la couche 32 de la LED 30. Par exemple, lorsque ladite épaisseur est égale à 10 nm, comme exposé dans l'article de Gardner et al., cela équivaut à une hauteur WDH égale à environ 30 nm pour des nanofils ayant un diamètre égal à 100 nm de diamètre et de densité surfacique égale à 4.109cm 2, soit une épaisseur WDH inférieure à la hauteur minimale de 40 nm des nanofils telle qu'exposée précédemment. Ainsi donc dans les trois cas considérés ci-dessus, il apparait clairement que la LED selon l'invention comporte une zone active de volume plus important que celle de l'état de la technique.
Cette propriété génère à la fois une augmentation du rendement quantique interne en raison de la plus grande quantité de matériau actif, ainsi qu'une diminution du « Droop Efficicency ». En effet, ce phénomène étant lié en partie à l'effet Auger, comme la densité de porteurs dans la zone active est inversement proportionnelle au volume de la zone active et que l'effet Auger varie comme le cube de cette même densité, alors un volume de zone active plus important implique une forte baisse des recombinaisons non-radiatives associées et donc une augmentation du rendement radiatif.
Il va à présent être décrit en relation avec les figures 7 à 9 un procédé de fabrication d'une LED 80 à base de InGaN. Le procédé débute par la formation d'un substrat 82 semi-conducteur de type n de résistivité de l'ordre de 0,001ohm/cm, par exemple du silicium dopé n+ de 2 pouces et d'environ 4001um d'épaisseur.30 Puis, une hétéro-épitaxie d'InGaN épais est réalisée sur le substrat 84 afin d'obtenir des nanofils 84 d'une hauteur comprise entre 40 et 1000 nm, et d'un diamètre compris entre 50 et 500 nm, par exemple d'un diamètre de 100 nm (figure 7).
La croissance des nanofils est réalisée par exemple par MOCVD, par MBE ou par HVPE (pour « Hydride Vapour Phase Epitaxy ») selon un mode dit spontané ou de façon sélective. Aucun dopant n'est utilisé au cours de la croissance de l'InGaN qui présente alors un dopage résiduel inférieur à 1016 électrons/cm3.
Le procédé se poursuit alors par la croissance épitaxiale d'une couche 88 en GaN ou InGaN dopée p à la surface et en périphérie des nanofils 84 (figure 8), la morphologie de la couche 88 étant contrôlée grâce aux conditions de croissance.
La concentration de porteurs p dans la couche 88, par exemple apportés par un dopage en magnésium, est choisi de l'ordre de 1018 trous/cm3, et la composition d'indium est soit nulle (GaN-p), ou si elle est différente de 0, inférieure à celle de l'InGaN épais des nanofils 84 pour assurer le confinement des porteurs, puisque l'ajout d'indium dans la zone active attire les porteurs.
De manière avantageuse, une partie des nanofils en InGaN est laissée libre, et reste donc entourée d'air, afin de minimiser l'indice optique du milieu et ainsi améliorer l'efficacité d'extraction du dispositif, et dans tous les cas la couche 88 est réalisée de manière à ne pas venir en contact avec le substrat 82 afin d'éviter tout court circuit.
On notera qu'il est connu de l'état de la technique qu'un changement des paramètres de croissance permet de passer d'une croissance verticale à une croissance horizontale. On pourra par exemple se référer à la croissance ELOG (pour « Epitaxy Lateral OverGrowth »), telle que par exemple décrit dans l'article de Kaponek et al [APL 71, 1204 (1997)]. Dans une première variante, en changeant les paramètres de croissance, on favorise la croissance latérale de la couche p au détriment de la croissance verticale jusqu'à obtenir coalescence des nanofils et dans ce cas la couche 88 p est dite planarisante, simplifiant ainsi le dépôt du contact électrique supérieur.
Dans une seconde variante, la couche 88 n'est pas planarisante, et une étape de 35 planarisation de cette couche est mise en oeuvre, par exemple telle que décrite le document WO 2009/087319.
Des contacts ohmiques inférieur 92 et supérieur 90 sont ensuite respectivement déposés sous le substrat 82 et sur la couche 88 (figure 9).
Le contact p supérieur 92 délimite spatialement la taille du dispositif et peut être constitué de différents empilements, comme l'empilement d'un contact semi-transparent en alliage Ni/Au ou ITO et d'un peigne plus épais en alliage Ni/Au pour diminuer la résistance série du contact, tel que cela est décrit pas exemple dans le document WO 2009/087319.
Le dépôt du contact n inférieur 90 sur la face arrière du silicium ne pose pas de problème 10 particulier et peut par exemple être constitué d'un siliciure de nickel.
Selon une variante de l'invention, une couche de GaN de type p est intercalée par épitaxie entre les nanofils 84 d'InGaN et le substrat 82, ce qui permet un choix plus libre de matériau pour ce dernier. Un second mode de réalisation est à présent décrit en relation avec le procédé de fabrication illustré aux figures 10 à 12.
Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation précédemment 20 décrit aux figures 7 à 9 en ce que, préalablement à la croissance des nanofils en InGaN 84, des nanofils en GaN 100, dopés n, notamment par du Si, sont épitaxiés sur le substrat 82 sur une faible épaisseur WGaN, par exemple une épaisseur de 100 nm, et avec une concentration en porteurs n proche de 1018 ou 1019 porteurs/cm3 (figure 10). Les nanofils 84 sont alors épitaxiés sur les nanofils en GaN dopés n 100, ce qui forment un ensemble 25 de nanofils GaN/InGaN (figure 11). Le procédé se poursuit alors de la manière décrite précédemment pour l'obtention d'une LED à base de nanofils à double hétéro-structure (figure 11).
La base des nanofils en GaN dopé n permet un choix plus large pour le substrat 82, qui 30 peut par exemple être constitué de silicium comme pour le premier mode de réalisation, ou bien être un substrat métallique constitué par exemple de cuivre, d'un alliage à base de Ni et de Molybdène. La faible dimension des nanofils permet d'obtenir, à la base des nano fils, du GaN de type n qui présente de meilleures propriétés cristallines comparativement à l'utilisation d'une couche Buffer. 35 Un troisième mode de réalisation est à présent décrit en relation avec le procédé de fabrication illustré aux figures 13 à 15. 15 Le procédé débute par la réalisation d'un substrat 82 et de nanofils en GaN dopés n 100, tel que cela a été décrit précédemment (figure 13). Ensuite, une croissance épitaxiale MBE de nanofils de InGaN 110 est mise en oeuvre sur les nanofils 100. Du magnésium est incorporé dans le InGaN au cours même de la croissance des nanofils 110. On observe alors un mécanisme de relaxation entrainant la formation spontanée, par une séparation de phases, d'une structure dite en « coeur/coquille », dans laquelle un coeur InGaN non dopé se forme et est entouré d'une coquille externe en GaN dopé n par le magnésium (figure 14). On obtient ainsi une augmentation de la surface du volume InGaN en contact avec le volume de GaN dopé p.
Le procédé se poursuit alors par la croissance et la coalescence d'une couche de GaN dopée p 112 à l'extrémité libre des nanofils 110 (figure 15), puis des contacts ohmiques sont déposés, optionnellement après une étape de planarisation, telle que décrite précédemment en relation avec le premier mode de réalisation. Les figures 16 et 17 illustrent une variante de fabrication applicable à tous les procédés de fabrication venant d'être décrits.
Notamment dans cette variante, un masque de croissance 120 en matériau électriquement 20 isolant et inerte vis-à-vis de la croissance épitaxiale de GaN ou de InGaN, tel que par exemple un masque en nitrure de silicium ou en silice, est déposé sur le substrat 82 (figure 16). Le procédé se poursuit alors par la réalisation de nanofils 84 en InGaN ou de nanofils GaN/InGaN tel que précédemment décrit (figure 17), puis de la couche en GaN dopé p et des contacts ohmiques. Cette variante de fabrication permet de contrôler avec 25 précision le diamètre des nanofils ainsi que l'espacement entre ceux-ci de manière à optimiser l'efficacité d'extraction de la lumière produite par la LED.
Selon un autre mode de réalisation, la composition en indium des nanofils varie en fonction de la hauteur de ceux-ci. Par exemple, la composition en Indium augmente tout 30 au long du fil. Cette configuration peut diminuer les contraintes mécaniques au sein du matériau par adaptation progressive du paramètre de maille
Il vient d'être décrit des procédés dans le cas d'une LED à base de GaN. Bien entendu, d'autres types de matériau peuvent être utilisés.15

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif optoélectronique comportant : ^ une zone semi-conductrice active (84) pour la recombinaison radiative de paires électrons-trous réalisée sous la forme d'au moins un nanofil ; ^ une zone semi-conductrice (88) pour l'injection radiale de trous dans le ou chaque nano fil ; et ^ une zone semi-conductrice (82) pour l'injection axiale d'électrons dans le ou chaque nano fil.
  2. 2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel la zone active (84) est constituée d'un unique matériau semi-conducteur.
  3. 3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, dans lequel la zone active (84) est constituée d'un matériau semi-conducteur de type III-V ou de type II-VI, et en particulier de type III-N.
  4. 4. Dispositif optoélectronique selon la revendication 3, dans lequel: ^ la zone active (84) est constituée d'InGaN non intentionnellement dopé ; ^ la zone dopée pour l'injection des trous (88) est constituée de GaN dopée p ou de InGaN dopé p de concentration en In inférieure à celle de la zone active ; et ^ la zone dopée pour l'injection d'électron (82) est constituée de Si dopé n ou de GaN dopé n.
  5. 5. Dispositif optoélectronique selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la hauteur de la zone active (84) présente une valeur minimale sélectionnée selon la relation : F.Jove ow = .e.B.WDH k.T (4.Nc2(EF-Ec où F est le facteur de remplissage des nanofils, Joverflow est la densité de courant maximale supportée par les nano fils sans saturation en électrons, Nc est la densité d'états effective de la bande conduction du matériau, e est la charge élémentaire, B est le coefficient de recombinaison bimoléculaire du matériau, et WDH est la valeur minimale de la hauteur de la zone active.35
  6. 6. Dispositif optoélectronique selon la revendication 3, 4 ou 5, dans lequel la zone active est réalisé en InGaN, et : ^ les nanofils (84) ont une densité comprise entre 108 et 1010 par centimètre carré; ^ les nanofils (84) ont un diamètre compris entre 50 nanomètres et 500 nanomètres ; et ^ la hauteur de la zone active (84) est comprise entre 40 nanomètres et 5 micromètres.
  7. 7. Dispositif optoélectronique selon la revendication 6, dans lequel les nanofils (84) ont une densité de 4.109 cm-2, un diamètre de 100 nanomètres et une hauteur de zone active de 40 nanomètres.
  8. 8. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il n'y a pas de zone bloqueuse d'électron entre la zone active et la zone dopée p.
  9. 9. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédente, dans lequel les nanofils sont formés sur un substrat (82) en matériau semi-conducteur dopé n, le substrat formant la zone d'injection d'électrons.
  10. 10. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les nanofils (84) comportent une base en semi-conducteur dopé n pour l'injection d'électrons. 25
  11. 11. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les nano fils (84) sont formés sur substrat (82) qui comporte une couche continue de matériau semi-conducteur dopé n, de la même famille que le matériau constitutif de la zone active, et sur laquelle reposent les nanofils, ladite couche continue formant la zone pour l'injection d'électrons. 30
  12. 12. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanofils (84) sont formés sur un substrat (82), et la zone pour l'injection de trous (88) enrobe partiellement la portion des nanofils (84) opposée au substrat (82).
  13. 13. Dispositif optoélectronique selon la revendication 12, dans lequel la zone pour l'injection de trous (88) enrobe moins des trois quarts de la périphérie des nanofils (84). 35
  14. 14. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone pour l'injection de trous (88) forme une couche de matériau planarisante.
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