FR3000613A1 - Dispositif optoelectronique a microfils ou nanofils - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optoélectronique (30) comprenant des microfils ou nanofils (31) dont chacun comprend au moins une première portion (36) se prolongeant par une deuxième portion (38, 40), la première portion étant la plus proche du support (14) des microfils ou nanofils, dans lequel les première et deuxième portions sont à flancs droits et de diamètres différents, les première et deuxième portions sont à flancs inclinés avec des inclinaisons différentes ou la première portion est à flancs inclinés et la deuxième portion est à flancs droits.

Description

B12165 - Réf Client 1 DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A MICROFILS OU NANOFILS Domaine La présente description concerne de façon générale les dispositifs optoélectroniques comprenant des microfils ou nanofils semiconducteurs et leurs procédés de fabrication.
Par dispositifs optoélectroniques, on entend des dispositifs adaptés à effectuer la conversion d'un signal électrique en un rayonnement électromagnétique ou inversement, et notamment des dispositifs dédiés à la détection, la mesure ou l'émission d'un rayonnement électromagnétique ou des dispositifs dédiés à des applications photovoltaïques. Exposé de l'art antérieur On s'intéresse plus particulièrement ici à l'amélioration des dispositifs optoélectroniques à microfils ou nanofils de types radiaux comprenant une zone active formée à la 15 périphérie d'un microfil ou nanofil. Les microfils ou les nanofils considérés ici comprennent un matériau semiconducteur comportant majoritairement un élément du groupe III et un élément du groupe V (par exemple du nitrure de gallium GaN), appelé par la suite 20 composé III-V. De tels dispositifs sont par exemple décrits dans les demandes de brevet français non publiée N°12/58729 déposée le 18 septembre 2012 et N°12/60232 déposée le 26 octobre 2012.
B12165 - Réf Client 2 Résumé Ainsi, on prévoit ici un dispositif optoélectronique comprenant des microfils ou nanofils dont chacun comprend au moins une première portion se prolongeant par une deuxième 5 portion, la première portion étant la plus proche du support des microfils ou nanofils, dans lequel les première et deuxième portions sont à flancs droits et de diamètres différents, les première et deuxième portions sont à flancs inclinés avec des inclinaisons différentes ou la première portion est à flancs 10 inclinés et la deuxième portion est à flancs droits. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième portions sont entourées d'une couche active et d'une couche d'électrode. Selon un mode de réalisation, la couche active 15 comprend une structure à puits quantiques multiples. Selon un mode de réalisation, la partie de la couche active entourant la première portion active et la partie de la couche active entourant la deuxième portion active sont adaptées à émettre ou capter de la lumière à des longueurs d'onde 20 différentes. Selon un mode de réalisation, la première ou la deuxième portion est à flancs inclinés et a une section droite qui diminue en s'éloignant du support des microfils ou nanofils. Selon un mode de réalisation, la première ou la 25 deuxième portion est à flancs inclinés et a une section droite qui augmente en s'éloignant du support des microfils ou nanofils. Selon un mode de réalisation, chaque microfil ou nanofil comprend une troisième portion prolongeant la deuxième 30 portion, la troisième portion étant à flancs droits ou à flancs inclinés. Selon un mode de réalisation, chaque nanofil ou microfil comprend une alternance de portions isolées et de portions actives, au moins l'une des portions actives comprenant B12165 - Réf Client 3 les première et deuxième portions, chaque portion active étant entourée d'une couche active et d'une couche d'électrode. Selon un mode de réalisation, chaque portion isolée est entourée d'une couche de matériau diélectrique ayant une 5 épaisseur comprise entre une monocouche atomique et 10 nm. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième portions comprennent majoritairement un composé III-V. Selon un mode de réalisation, le composé III-V est un composé III-N, notamment choisi parmi le groupe comprenant le 10 nitrure de gallium, le nitrure d'aluminium, le nitrure d'indium, le nitrure de gallium et d'indium, le nitrure de gallium et d'aluminium et le nitrure de gallium, d'aluminium et d'indium. Selon un mode de réalisation, la hauteur totale de chacune des première et deuxièmes portions est supérieure ou 15 égale à 200 nm. Il est également prévu un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique tel que défini précédemment, dans lequel la première portion est réalisée dans un réacteur avec des premières conditions de fonctionnement du réacteur, et dans 20 lequel la deuxième portion est réalisée dans le même réacteur avec des deuxièmes conditions de fonctionnement différentes des premières conditions de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième portions comprennent majoritairement un composé III-V et la 25 première ou la deuxième portion est réalisée en faisant augmenter ou diminuer le rapport de proportions de précurseurs des composés III-V avec un taux de variation constant à 10 % près. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième 30 portions comprennent majoritairement un composé III-V et la première portion est réalisée avec un premier rapport de proportions de précurseurs des composés III-V à une première valeur constant à 10 % près et la deuxième portion est réalisée avec un deuxième rapport de proportions de précurseurs des B12165 - Réf Client 4 composés III-V constant à 10 % près et différent du premier rapport. Selon un mode de réalisation, la première ou la deuxième portion est réalisée en faisant augmenter ou diminuer 5 la pression dans le réacteur avec un taux de variation constant à 10 % près. Selon un mode de réalisation, la première portion est réalisée avec une première pression dans le réacteur à 10 % près et la deuxième portion est réalisée avec une deuxième pression 10 dans le réacteur constante à 10 % près et différente de la première pression. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 15 de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une coupe, partielle et schématique, d'un exemple de dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils ; 20 la figure 2 est une coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils ; la figure 3 est une vue agrandie d'une partie de la figure 2 ; 25 les figures 4A à 4F sont des coupes, partielles et schématiques, de structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation du procédé de fabrication du dispositif optoélectronique de la figure 2 ; les figures 5 et 6 sont des coupes, partielles et 30 schématiques, d'autres modes de réalisation d'un dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils ; et la figure 7 est une coupe, partielle et schématique, d'une variante de structure d'un microfil ou nanofil pour un dispositif optoélectronique.
B12165 - Réf Client Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des 5 circuits électroniques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension de la présente description ont été représentés et sont décrits. En particulier, les moyens de commande des dispositifs optoélectroniques décrits ci-après sont à la portée 10 de l'homme de l'art et ne sont pas décrits. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près". En outre, on entend par "composé principalement constitué d'un matériau" ou "composé à base d'un 15 matériau" qu'un composé comporte une proportion supérieure ou égale à 95 % dudit matériau, cette proportion étant préférentiellement supérieure à 99 %. Le terme "microfil" ou "nanofil" désigne une structure tridimensionnelle de forme allongée selon une direction 20 privilégiée dont au moins deux dimensions, appelées dimensions mineures, sont comprises entre 5 nm et 2,5 um, de préférence entre 50 nm et 2,5 um, la troisième dimension, appelée dimension majeure, étant au moins égale à 1 fois la plus grande des dimensions mineures, de préférence au moins 5 fois et encore 25 plus préférentiellement au moins 10 fois. Dans certains modes de réalisation, les dimensions mineures peuvent être inférieures ou égales à environ 1000 nm, de préférence comprises entre 100 nm et 300 nm. Dans certains modes de réalisation, la hauteur de chaque microfil ou nanofil peut être supérieure ou égale à 30 500 nm, de préférence comprise entre 1 um et 50 um. Dans la suite de la description, on utilise le terme "fil" pour signifier "microfil ou nanofil". De préférence, la ligne moyenne du fil qui passe par les barycentres des sections droites, dans des plans perpendiculaires à la direction B12165 Réf Client 6 privilégiée du fil, est sensiblement rectiligne et est appelée par la suite "axe" du fil. La section droite des fils peut avoir différentes formes, telles que, par exemple, une forme ovale, circulaire ou polygonale, notamment triangulaire, rectangulaire, carrée ou hexagonale. Ainsi, on comprend que, quand on mentionne ici le "diamètre" d'un fil ou d'une couche déposée sur ce fil dans une section droite, il s'agit d'une grandeur associée au périmètre de la structure visée dans cette section droite, correspondant, par exemple, au diamètre du disque ayant la même surface que la section droite du fil. En outre, les flancs latéraux d'une portion du fil sont appelés flancs droits lorsqu'ils sont parallèles à l'axe du fil. Les flancs latéraux d'une portion du fil sont appelés flancs inclinés lorsqu'ils ne sont ni parallèles ni perpendiculaires à l'axe du fil. Dans la suite de la description, on appelle angle d'inclinaison d'un flanc incliné d'une portion du fil l'angle entre le flanc incliné et l'axe du fil. Cet angle est noté avec un signe positif lorsque la section droite de la portion du fil diminue lorsqu'on s'éloigne du support du fil et est noté avec un signe négatif lorsque la section droite de la portion du fil augmente lorsqu'on s'éloigne du support du fil. Un flanc incliné forme, avec l'axe du fil, un angle strictement supérieure à -90° et strictement inférieur à 0° ou un angle strictement supérieur à 0° et strictement inférieur à 90°. Les fils peuvent être, au moins en partie, formés à partir de matériaux semiconducteurs comportant majoritairement un composé III-V, par exemple des composés III-N. Des exemples d'éléments du groupe III comprennent le gallium (Ga), l'indium (In) ou l'aluminium (Al). Des exemples de composés III-N sont GaN, AIN, InN, InGaN, AlGaN ou A1InGaN. D'autres éléments du groupe V peuvent également être utilisés, par exemple, le phosphore ou l'arsenic. De façon générale, les éléments dans le composé III--V peuvent être combinés avec différentes fractions 35 molaires.
B12165 - Réf Client 7 Dans certains modes de réalisation, les fils peuvent comprendre un dopant. A titre d'exemple, pour des composés III-V, le dopant peut être choisi parmi le groupe comprenant un dopant de type P du groupe II, par exemple, du magnésium (Mg), du zinc (Zn), du cadmium (Cd) ou du mercure (Hg), un dopant du type P du groupe IV, par exemple du carbone (C) ou un dopant de type N du groupe IV comprenant le silicium (Si), le germanium (Ge), le sélénium (Se), le souffre (S), le terbium (Tb) et l'étain (Sn).
Le fait de dire qu'un composé à base d'au moins un premier élément et d'un deuxième élément a une polarité du premier élément ou une polarité du deuxième élément signifie que le matériau croît selon une direction privilégiée et que lorsque le matériau est coupé dans un plan perpendiculaire à la direction de croissance privilégiée, la face exposée comprend essentiellement des atomes du premier élément dans le cas de la polarité du premier élément ou des atomes du deuxième élément dans le cas de la polarité du deuxième élément. Les fils sont formés sur une face d'un substrat. Le substrat peut correspondre à une structure monobloc ou correspondre à une couche recouvrant un support constitué d'un autre matériau. Le substrat est, par exemple, un substrat semiconducteur, tel qu'un substrat en silicium, en germanium, en carbure de silicium, en un composé III-V, tel que du GaN ou du GaAs, un substrat en ZnO. Le substrat peut être en un matériau conducteur, par exemple en métal, ou en un matériau isolant, par exemple en saphir, en verre ou en céramique. De préférence, le substrat est en silicium, notamment en silicium monocristallin ou polycristallin.
Un traitement peut être appliqué au substrat pour favoriser la croissance des fils à des emplacements déterminés. En outre, le traitement peut favoriser la croissance des fils selon une polarité donnée. Un exemple de traitement consiste à recouvrir le substrat d'une couche, appelée couche de nucléation, d'un matériau favorisant la croissance des fils. Un B12165 - Réf Client 8 autre exemple de traitement comprend le dépôt sur le substrat ou sur la couche de nucléation d'une couche d'un matériau diélectrique, la formation d'ouvertures dans la couche du matériau diélectrique pour exposer des parties du substrat ou de la couche de nucléation et la croissance des fils sur les parties du substrat ou de la couche de nucléation exposées, comme cela est décrit dans le document US 7 829 443. Un autre exemple de traitement comprend le dépôt sur le substrat d'une couche comprenant des portions d'un matériau favorisant chacune la croissance d'un fil d'un composé III-V selon la polarité de l'élément du groupe V séparées par une région d'un matériau favorisant la croissance du composé III-V selon la polarité de l'élément du groupe III, comme cela est décrit dans la demande de brevet non publiée N°12/58729. Un autre exemple de traitement comprend la formation, sur le substrat, de plots d'un matériau favorisant la croissance des fils et la réalisation d'un traitement de protection des parties de la surface du substrat non recouvertes par les plots pour y empêcher la croissance de fils, comme cela est décrit dans la demande de brevet non publiée N°12/60232. Le procédé de croissance des fils peut être un procédé du type dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD, acronyme anglais pour Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), également connu sous le nom d'épitaxie organométallique en phase 25 vapeur (ou OMVPE, acronyme anglais pour Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy). Toutefois, des procédés tels que l'épitaxie par jet moléculaire (MBE, acronyme anglais pour Molecular-Beam Epitaxy), la MBE à source de gaz (GSMBE), la MBE organométallique (MOMBE), l'épitaxie par couche atomique (ALE, 30 acronyme anglais pour Atomic Layer Epitaxy) ou l'épitaxie hybride en phase vapeur (HVPE, acronyme anglais pour Hybrid Vapor Phase Epitaxy) peuvent être utilisés. A titre d'exemple, le procédé peut comprendre l'injection dans un réacteur d'un précurseur d'un élément du 35 groupe III et d'un précurseur d'un élément du groupe V. Des B12165 - Réf Client 9 exemples de précurseurs d'éléments du groupe III sont le triméthylgallium (TMGa), le triéthylgallium (TEGa), le triméthylindium (TMIn) ou le triméthylaluminium (TMA1). Des exemples de précurseurs d'éléments du groupe V sont l'ammoniac (NH3), le tertiarybutylphoshine (TBT) ou l'arsine (AsH3). Selon un mode de réalisation de l'invention, dans une première phase de croissance des fils du composé III-V, un précurseur d'un élément supplémentaire est ajouté en excès en plus des précurseurs du composé III-V. L'élément supplémentaire peut être le silicium (Si). Un exemple de précurseur du silicium est le silane (SiH4). La présence du précurseur de l'élément supplémentaire conduit à l'incorporation de l'élément supplémentaire dans le composé III-V pour doper ce composé III-V mais également à la formation d'une couche d'un matériau diélectrique principalement constitué de l'élément supplémentaire et de l'élément du groupe V sur les flancs latéraux des cristaux en croissance du composé III-V. La concentration de l'élément supplémentaire dans le composé III-V est comprise entre 1018 et 1021 atomes/cm-3. La couche du matériau diélectrique a une épaisseur comprise entre une monocouche atomique et 10 nm. Dans le cas où le composé III-V est du GaN et l'élément supplémentaire est du silicium, le GaN est dopé de type N et est appelé ici n+GaN et la couche de matériau diélectrique est du nitrure de silicium SiN, éventuellement sous forme stoechiométrique Si3N4. La figure 1 est une coupe, partielle et schématique, d'un dispositif optoélectronique 10 réalisé à partir de fils tels que décrits précédemment et adapté à émettre un rayonnement électromagnétique.
Le dispositif 10 comprend, du bas vers le haut en figure 1 : une première électrode de polarisation 12 ; un substrat 14, par exemple semiconducteur, comprenant des faces parallèles 16 et 18, la face 16 étant au contact de 35 l'électrode 12 et la face 18 étant traitée de façon à favoriser B12165 - Réf Client 10 la croissance de fils de façon organisée, notamment de l'une des façons décrites précédemment. Ce traitement est représentée de façon schématique en figure 1 par une région 19 en surface du substrat 14 ; des fils 20 (trois fils étant représentés) de hauteur H1, chaque fil comprenant une portion inférieure 22 de hauteur H2, en contact avec le substrat 14, et une portion supérieure 24 de hauteur H3 ; une couche isolante 23 recouvrant la périphérie de 10 chaque portion inférieure 22 ; une couche active 26 recouvrant chaque portion supérieure 24 ; et une couche de seconde électrode 27 recouvrant chaque couche active 26. 15 Le substrat 14 est, par exemple, un substrat semiconducteur, tel qu'un substrat en silicium. Le substrat 14 peut être dopé d'un premier type de conductivité, par exemple dopé de type N. L'électrode 12 peut correspondre à une couche 20 conductrice qui s'étend sur la face 16 du substrat 14. Le matériau formant l'électrode 12 est, par exemple, du siliciure de nickel (NiSi), de l'aluminium (Al), du siliciure d'aluminium (AlSi), du titane (Ti) ou du siliciure de titane (TiSi). Chaque fil 20 est une structure semiconductrice 25 allongée selon un axe D sensiblement perpendiculaire à la face 18. Chaque fil 20 peut avoir une forme générale cylindrique allongée à base hexagonale. Le diamètre moyen de chaque fil 20 peut être compris entre 50 nm et 2,5 }gym et la hauteur H1 de chaque fil 20 peut être comprise entre 1 pm et 50 11m. Les axes 30 de deux fils adjacents peuvent être distants de 0,5 pm à 5 }gym et de préférence de 1,5 à 3 pm. La portion inférieure 22 de chaque fil est principalement constituée d'un composé III-N, par exemple du nitrure de gallium, dopé d'un premier type de conductivité, par 35 de type N. Le dopant de type N peut être le silicium. Le B12165 - Réf Client 11 pourtour de la portion inférieure 22 est recouvert par la couche de diélectrique 23, par exemple du SiN, sur la hauteur H2. La hauteur H2 peut être comprise entre 500 nm et 25 pm. La couche de matériau diélectrique 23 a une épaisseur comprise entre une monocouche atomique et 10 nm. La portion supérieure 24 de chaque fil est, par exemple, au moins partiellement réalisée dans un composé III-N, par exemple du nitrure de gallium. La portion supérieure 24 peut être dopée du premier type de conductivité, par exemple de type N, ne pas être dopée ou être dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, par exemple de type P. Dans le cas d'un fil composé principalement de GaN, la structure cristalline du fil peut être du type wurtzite, le fil 15 s'étendant selon l'axe C. La couche active 26 est la couche depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement fourni par le dispositif 10 ou dans laquelle est capturée la majorité du rayonnement capturé par le dispositif. La couche active 26 peut comporter des moyens 20 de confinement, tels que des puits quantiques multiples. Elle est, par exemple, constituée d'une alternance de couches de GaN et de InGaN ayant des épaisseurs respectives de 5 à 20 nm (par exemple 8 nm) et de 1 à 10 nm (par exemple 2,5 nm). Entre la couche active 26 et la couche d'électrode 27, 25 on peut prévoir des couches d'interface non représentées, par exemple une couche supplémentaire d'amélioration du contact électrique, par exemple en GaN fortement dopée, par exemple dopée de type P et appelée p++GaN, cette couche pouvant, en outre, contenir une couche de blocage d'électrons en nitrure de 30 gallium et d'aluminium (A1GaN) de type de conductivité opposé à celui du GaN de la couche active. La deuxième électrode 27 est adaptée à assurer la polarisation électrique de chaque couche active 26 et à laisser passer le rayonnement électromagnétique émis ou reçu par le 35 dispositif. Le matériau formant l'électrode 27 peut être un B12165 - Réf Client 12 matériau semi-transparent tel que de l'oxyde d'indium--étain (ou ITO, acronyme anglais pour Indium Tin Oxide) ou de l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium. Le dispositif décrit en figure 1 fonctionne convenablement mais présente divers inconvénients, notamment du fait que les portions radiales des couches actives 26 émettent un rayonnement lumineux sensiblement à une même longueur d'onde alors qu'il peut être souhaitable que le spectre de longueurs d'onde d'émission ou de réception soit large.
De plus, l'émission ou la réception d'un rayonnement par une portion d'une couche active est partiellement écrantée par la partie sus-jacente du fil. Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs 15 optoélectroniques, notamment à microfils ou nanofils, et de leurs procédés de fabrication décrits précédemment. Un autre objet d'un mode de réalisation est que le dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils soit à large spectre d'émission ou de réception. 20 Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter la qualité d'émission ou de réception du dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 30. Ce dispositif est élaboré à 25 partir de fils comportant chacun au moins une première portion de section sensiblement constante se prolongeant par une deuxième portion à flancs inclinés par rapport à l'axe du fil, les première et deuxième portions étant recouvertes de la couche active. 30 Le dispositif optoélectronique 30 de la figure 2 comprend des fils 31 d'axe D et constitués de portions successives, du bas vers le haut : une portion inférieure 32 isolée, par exemple en n+GaN, similaire à la portion inférieure 22 décrite B12165 - Réf Client 13 précédemment, recouverte d'une couche isolante 33, similaire à la couche 23 décrite précédemment ; et une portion supérieure 34, dite "portion active", par exemple en GaN, dont la composition peut être similaire à la 5 portion 24 décrite précédemment. La portion active 34 comprend successivement une portion 36 à section droite constante, une portion 38 à flancs inclinés par rapport à l'axe D et dont la section droite diminue du bas vers le haut, une portion 40 à section droite constante 10 ayant un diamètre strictement inférieur au diamètre de la portion 36, une portion 42 à flancs plus inclinés que la portion 38 et dont la section droite diminue du bas vers le haut, une portion 44 à section droite constante ayant un diamètre strictement inférieur au diamètre de la portion 40, une portion 15 46 à flancs plus inclinés que la portion 42 et dont la section droite diminue du bas vers le haut et une portion 48 à section droite constante ayant un diamètre strictement inférieur au diamètre de la portion 44. Dans le cas où la portion 34 est constituée 20 principalement de GaN de polarité N, la croissance du fil est réalisée selon l'axe -c. A titre d'exemple, les flancs latéraux des portions 36, 40, 44 et 48 correspondent à des plans cristallins (1-100) , dits non-polaires, parallèles à l'axe D. Les flancs inclinés des portions 38, 42, 46 correspondent à 25 des plans cristallins semi-polaires dont les angles d'inclinaison par rapport à l'axe D du fil 31 dépendent des conditions de croissance du fil. A titre d'exemple, les flancs inclinés de la portion 38 correspondent à des plans cristallins (30-3-1) inclinés d'environ 10° par rapport à l'axe D. Les 30 flancs inclinés de la portion 42 correspondent à des plans cristallins (20-2-1) inclinés d'environ 15° par rapport à l'axe D. Les flancs inclinés de la portion 46 correspondent à des plans cristallins (11-2-2) inclinés d'environ 32° par rapport à l'axe D. Bien entendu, les flancs inclinés peuvent correspondre 35 à d'autres plans cristallographiques, par exemple les plans B12165 - Réf Client 14 cristallographiques (1-10-1) ou (1-101). En outre, la portion 48 comprend au sommet du fil une face perpendiculaire à l'axe du fil qui correspond à un plan polaire -c. A titre d'exemple, les dimensions de chacune des portions 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 sont : pour la portion 36, diamètre : 2 pm - hauteur : 1 pm ; pour la portion 38, hauteur : 1 pm ; pour la portion 40, diamètre : 1,6 pm - hauteur : 1 pm ; pour la portion 42, hauteur : 1 pm pour la portion 44, diamètre : 1,14 pm - hauteur : 1 }lm ; pour la portion 46, hauteur : 500 nm ; pour la portion 48, diamètre : 500 nm - hauteur : 500 nm. La portion 34 est revêtue d'une couche active 50, elle-même revêtue d'une structure d'électrode 52. Comme cela a été décrit précédemment pour la couche active 26, la couche active 50 peut comporter des moyens de confinement, tels que des puits quantiques multiples. L'électrode 52 peut avoir la même composition que l'électrode 27 décrite précédemment. La couche active 50 comprend successivement, du bas vers le haut, des régions 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68 qui épousent respectivement les formes des portions 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 qu'elles recouvrent. En particulier, les régions 56, 60, 64 et 68 sont des régions à flancs droits et les régions 58, 62 et 66 sont des régions à flancs inclinés correspondant à des plan cristallins dont les inclinaisons sont sensiblement identiques aux inclinaisons des portions 38, 42 et 46 recouvertes respectivement par ces régions 58, 62 et 66. La figure 3 représente une vue agrandie d'une partie du dispositif optoélectronique 30 selon un mode de réalisation selon lequel la couche active 50 comprend une structure à puits 35 quantiques comprenant une alternance de couches de GaN 70 et de B12165 - Réf Client 15 couches de InGaN 72, deux couches de InGaN 72 et trois couches de GaN 70 étant représentées en figure 3. En raison de l'alternance de régions à flancs inclinés et de régions à section droite constante, la couche active 50 comprend une succession de régions ayant des épaisseurs ou des proportions de matériaux différentes. Notamment, dans le cas où la couche active 50 comprend au moins une couche de InGaN, la proportion d'indium est modifiée quand le dépôt s'effectue sur des structures à flancs droits ou sur des structures à flancs plus ou moins inclinés. En outre, les épaisseurs des couches de InGaN et de GaN sont différentes quand ces couches sont formées sur des structures à flancs droits ou sur des structures à flancs plus ou moins inclinés. En effet, la vitesse de croissance, sur des structures à flancs plus ou moins inclinés, des couches formant les puits quantiques ainsi que l'incorporation d'Indium dans ces mêmes puits est différente selon les différents diamètres des régions à section droite constante et les différentes inclinaisons des régions à flancs inclinés.
Il en résulte que les longueurs d'onde d'émission liées à chaque région à flancs droits ou à flancs inclinés de la couche active 50 sont différentes. En outre, on peut également modifier les différentes proportions hauteur/diamètre des régions de la couche active en fonction des longueurs d'ondes visées et des longueurs d'onde que l'on veut combiner. On peut ainsi obtenir un dispositif ayant des propriétés d'émission ou de réception large bande. En particulier, le spectre d'émission ou de réception obtenu peut être caractéristique d'une lumière blanche. Par rapport à un dispositif optoélectronique comprenant des fils émettant de la lumière bleue et une couche à base de phosphore absorbant une partie de la lumière bleue et émettant de la lumière jaune, de sorte que de le spectre global d'émission du dispositif optoélectronique soit proche de celui de la lumière blanche, le dispositif optoélectronique selon le B12165 - Réf Client 16 présent mode de réalisation ne nécessite pas de couche de phosphore pour fournir de la lumière blanche. A titre d'exemple, dans le cas où la couche active 50 comprend des puits quantiques multiples et est constituée d'une alternance de couches de GaN ayant une épaisseur variant autour de 8 nm et de couches de InGaN ayant une épaisseur variant autour de 2,5 nm, les longueurs d'onde d'émission des régions de la couche active 50 sont les suivantes : région 56 : 440 nm ; région 58 : 480 nm ; région 60 : 520 nm ; région 62 : 510 nm ; région 64 : 540 nm ; région 66 : 490 nm ; et région 68 : 560 nm. En outre, si le diamètre de la portion active 36 est supérieur au diamètre de la portion active 40, lui-même supérieur au diamètre de la portion active 44, lui-même supérieur au diamètre de la portion active 48, on comprend que l'émission vers le haut ou la réception de la lumière provenant du haut sera améliorée par rapport au cas du dispositif optoélectronique 10 de la figure 1. Les figures 4A à 4F illustrent les structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé 25 de fabrication du dispositif optoélectronique 30 de la figure 2. Le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : (1) Traitement du substrat 14 pour favoriser la croissance de fils du composé III-V, par exemple du GaN selon la 30 polarité N, à des emplacements privilégiés. Ce traitement est représenté de façon schématique par la formation de la couche d'amorce 19 en surface du substrat 14 (figure 4A). (2) Croissance de la portion isolée 32 de chaque fil (figure 4B) sur la hauteur H2 depuis la face 18 du substrat 14. 35 La portion 32 peut être obtenue par un procédé du type MOCVD.
B12165 Réf Client 17 Toutefois, des procédés tels que MBE, GSMBE, MOMBE, ALE ou HVPE peuvent être utilisés. A titre d'exemple, dans le cas où la portion 32 est en GaN, un procédé du type MOCVD peut être mis en oeuvre par injection dans un réacteur MOCVD, de type douchette, d'un gaz précurseur du gallium, par exemple le triméthylgallium (TMGa) et d'un gaz précurseur de l'azote, par exemple l'ammoniac (NH3). A titre d'exemple, on peut utiliser un réacteur MOCVD 3x2", de type douchette, commercialisé par la société AIXTRON. Un rapport de flux moléculaires entre le triméthylgallium et l'ammoniac dans la gamme 5-200, de préférence dans la gamme 10-100, permet de favoriser la croissance de fils. A titre d'exemple, un gaz porteur qui assure la diffusion des organométalliques jusque dans le réacteur vient se charger en organométalliques dans un bulleur de TMGa. Celui-ci est réglé selon les conditions standard de fonctionnement. Un flux de 60 sccm (centimètres cubes standard par minute) est, par exemple choisi pour le TMGa, tandis qu'un flux de 300 sccm est utilisé pour le NH3 (bouteille standard de NH3). On utilise une pression d'environ 800 mbar (800 hPa). Le mélange gazeux comprend, en outre, l'injection de silane dans le réacteur MOCVD, matériau précurseur du silicium. Le silane peut être dilué dans de l'hydrogène à 1000 ppm et l'on apporte un flux de 20 sccm. La température dans le réacteur est, par exemple, comprise 950°C et 1100°C, de préférence entre 990°C et 1060°C. Pour transporter les espèces de la sortie des bulleurs aux deux plénums du réacteur, on utilise un flux de gaz porteur, par exemple du N2, de 2000 sccm réparti dans les deux plénums, par exemple avec un flux de 1000 sccm pour la ligne des organométalliques, c'est-à-dire pour le TMGa, et un flux de 1000 sccm dans la ligne des hydrures, c'est-à-dire pour le NH3. La présence de silane parmi les gaz précurseurs entraîne l'incorporation de silicium au sein du composé III-N. En outre, ceci se traduit par la formation de la couche 33 de nitrure de silicium qui recouvre le pourtour de la portion 32 de B12165 - Réf Client 18 hauteur H2, à l'exception du sommet au fur et à mesure de la croissance de la portion 32. (3) Croissance de la portion 34 de chaque fil (figures 4C, 4D et 4E) en formant successivement les portions 36, 38, 40, 42, 44, 46 et 48. Le rapport entre le flux moléculaire du précurseur de l'élément du groupe V et le flux moléculaire du précurseur de l'élément du groupe III est appelé rapport V/III dans la suite de la description. A titre d'exemple, chaque portion à flancs droits est obtenue en maintenant le rapport V/III à une valeur donnée dans une plage de rapports V/III parmi plusieurs plages distinctes de rapport V/III. En outre, chaque portion à flancs inclinés est obtenue en appliquant un taux de variation, ou gradient, au rapport V/III à une valeur donnée dans une plage de taux de variation parmi plusieurs plages distinctes de taux de variation. A titre d'exemple, pour des portions à flancs inclinés dont la section diminue du bas vers le haut, l'obtention des flancs inclinés est obtenue par un taux de variation négatif du rapport V/III, réalisé par exemple par une augmentation du flux moléculaire du précurseur de l'élément du groupe III. Pour chaque plage de taux de variation du rapport V/III, une inclinaison différente des flancs inclinés est obtenue. Selon un autre exemple, chaque portion à flancs droits est obtenue en maintenant une pression constante dans le réacteur dans une plage de pression parmi plusieurs plages distinctes de pression. En outre, chaque portion à flancs inclinés est obtenue en appliquant un taux de variation, ou gradient, à la pression dans le réacteur à une valeur donnée dans une plage de taux de variation parmi plusieurs plages distinctes de taux de variation. Pour chaque plage de taux de variation de la pression, une inclinaison différente des flancs inclinés est obtenue. Selon un autre exemple, chaque portion à flancs droits 35 est obtenue en maintenant à la fois le rapport V/III constant et B12165 - Réf Client 19 la pression constante dans le réacteur. En outre, chaque portion à flancs inclinés est obtenue en appliquant un gradient au rapport V/III et un gradient à la pression dans le réacteur. A titre d'exemple, pour former la portion 36 (figure 4C), les conditions de fonctionnement du réacteur MOCVD décrites précédemment sont maintenues à l'exception du fait que le flux de silane dans le réacteur est réduit, par exemple d'un facteur 10, ou arrêté. Le rapport V/III est alors sensiblement constant à une première valeur. Pour former la portion à flancs inclinés suivante 38 (figure 4D), un premier gradient négatif est appliqué au rapport V/III de la première valeur de rapport V/III jusqu'à une deuxième valeur de rapport V/III. Pour former la portion à flancs droits suivante 40 (figure 4E), le rapport V/III est maintenu à la deuxième valeur. Pour former la portion à flancs inclinés suivante 42, un deuxième gradient négatif est appliqué au rapport V/III de la deuxième valeur de rapport V/III jusqu'à une troisième valeur de rapport V/III. Pour former la portion à flancs droits suivante 44 (figure 4E), le rapport V/III est maintenu à la troisième valeur. Pour former la portion à flancs inclinés suivante 46 (figure 4E), un troisième gradient négatif est appliqué au rapport V/III de la troisième valeur de rapport V/III jusqu'à une quatrième valeur de rapport V/III. Pour former la portion à flancs droits suivante 48 (figure 4E), le rapport V/III est maintenu à la quatrième valeur. (4) Formation par épitaxie, pour chaque fil 31, de la couche active 50 (figure 4F). Le dépôt de la couche active 50 est réalisé de telle sorte qu'il ne se produit que sur la portion supérieure 34 du fil 31 et pas sur la portion inférieure 32 recouverte de la couche de diélectrique 33.
Le procédé comprend des étapes supplémentaires de réalisation, pour chaque fil 31, des électrodes 12 et 52. La couche ou l'ensemble de couches de l'électrode 52 ne se dépose que sur la couche active 50 et pas sur la couche de diélectrique 33.
B12165 - Réf Client 20 La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 80. Ce dispositif 80 est élaboré à partir de fils comportant chacun au moins des première et deuxième portions de sections sensiblement constantes et de diamètres différents reliées par une marche, c'est-à-dire par une face sensiblement perpendiculaire à l'axe du fil, les première et deuxième portions étant recouvertes de la couche active. Le dispositif optoélectronique 80 comprend des fils 81 d'axe D ayant la même structure que les fils 31 du dispositif 30 de la figure 2 à la différence que chaque fil 81 comprend seulement les portions à flancs droits 36, 40, 44, 48 et ne comprend pas les portions à flancs inclinés 38, 42 et 46. Les flancs latéraux de la portion 36 sont reliés aux flancs latéraux de la portion 40 par une face 82 sensiblement perpendiculaire à l'axe D. Les flancs latéraux de la portion 40 sont reliés aux flancs latéraux de la portion 44 par une face 84 sensiblement perpendiculaire à l'axe D. Les flancs latéraux de la portion 44 sont reliés aux flancs latéraux de la portion 48 par une face 86 sensiblement perpendiculaire à l'axe D. Pour chaque fil 81, les portions à flancs droits 36, 40, 44, 48 sont recouvertes d'une couche active 90, elle-même recouverte d'une électrode 92. En figure 5, on a représenté de façon schématique la couche active 90 sous la forme d'une structure à puits quantiques multiples représentés par trois lignes brisées 94. Selon un mode de réalisation, les fils sont recouverts d'une couche de GaN avant la formation de la couche active proprement dite. Cette couche de GaN a une épaisseur supérieure à 10 nm, de préférence supérieure à 20 nm, encore plus préférentiellement supérieure à 40 nm. Cette couche de GaN épouse les flancs latéraux droits du fil mais à chaque passage de marche forme des plans semi-polaires dont l'inclinaison dépend de la largeur de la marche. Les inventeurs ont mis en évidence que, lors de la 35 formation de la couche active 90 par épitaxie sur les portions B12165 - Réf Client 21 36, 40, 44, 48 du fil, chaque sous-couche de la couche active 90 comprend des régions 96, 98, 100, 102, qui croissent selon des plans non polaires sur au moins une partie des flancs latéraux des portions 36, 40, 44, 48 de section constante et des régions 104, 106, 108 qui croissent selon des plans semi-polaires au niveau de chaque transition entre des portions 36, 40, 44, 48 adjacentes. L'inclinaison des régions à flancs inclinés 104, 106, 108 dépend notamment de la différence entre les diamètres de deux portions successives 36, 40, 44, 48 de section constante. De préférence, chaque marche a une profondeur inférieure ou égale à 100 nm. Un mode de réalisation du procédé de fabrication du dispositif 80 correspond au procédé décrit précédemment en relation avec les figures 4A à 4F à la différence que les paramètres de croissance sont changés selon un échelon entre deux portions 36, 40, 44, 48 du fil de section constante et de diamètres différents. A titre d'exemple, le rapport V/III passe, selon un échelon, d'une valeur constante initiale à une valeur constante finale, entre deux portions 36, 40, 44, 48 du fil de section constante et de diamètres différents. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 110. Ce dispositif 110 est élaboré à partir de fils 111 comportant chacun une alternance de portions isolées et de portions actives, les portions actives étant recouvertes de la couche active, au moins l'une des portions actives comprenant au moins deux portions de section constante et de diamètres différents et/ou au moins une portion de section constante et une portion à flancs inclinés. A titre d'exemple, le dispositif 110 comprend 30 l'ensemble des éléments du dispositif 30 de la figure 2 et comprend, en outre, une portion isolée 112 intercalée entre les portions actives 42 et 44. La portion isolée 112 est de même nature que la portion 32 et est recouverte d'une couche de diélectrique 113 de même nature que la couche diélectrique 33 35 recouvrant la portion isolée 32.
B12165 - Réf Client 22 Les portions 36, 38, 40, 42 sont revêtues d'une couche active 114, elle-même revêtue d'une structure d'électrode 116. Les portions 44, 46, 48 sont revêtues d'une couche active 118, elle-même revêtue d'une structure d'électrode 120. Les couches actives 114, 118 ont sensiblement la même structure et les mêmes propriétés que la couche active 50. La portion isolée 112 n'est pas recouverte d'une couche active. La figure 7 représente, de façon partielle, une variante de fil 130, destiné à être recouvert d'une couche active, comportant au moins une première portion de section constante se prolongeant par une deuxième portion à flancs inclinés dont la section augmente lorsqu'on s'éloigne du substrat, les première et deuxième portions étant recouvertes par la couche active.
A titre d'exemple, le fil 130 comprend cinq portions à section constante 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, trois portions 146, 148, 150, 152 à flancs inclinés dont la section diminue du bas vers le haut en figure 7, et trois portions 154, 156, 158 à flancs inclinés dont la section augmente du bas vers le haut en figure 7. A titre d'exemple, dans le cas où le fil 130 est constitué principalement de GaN, les flancs inclinés de la portion 156 correspondent à des plans cristallins (30-31) inclinés d'environ -10° par rapport à l'axe D, les flancs 25 inclinés de la portion 128 correspondent à des plans cristallins (20-21) inclinés d'environ -15°, et les flancs inclinés de la portion 46 correspondent à des plans cristallins (11-22) inclinés d'environ -32°. A titre d'exemple, dans le cas où la couche active 30 recouvrant le fil comprend des puits quantiques multiples et est constituée d'une alternance de couches de GaN ayant une épaisseur variant autour de 8 nm et couches de InGaN ayant une épaisseur variant autour de 2,5 nm, les longueurs d'onde d'émission des régions de la couche active recouvrant les 35 portions 154, 156, et 158 sont les suivantes : B12165 - Réf Client région à plans région à plans région à plans Ces longueurs d'onde sont différentes de celles, décrits précédemment, obtenues avec les régions de la couche active à flancs inclinés correspondant à des plans cristallins (30-3-1) (20-2-1) et (11-2-2). Ceci permet avantageusement d'élargir encore d'avantage le spectre d'émission du dispositif optoélectronique.
Dans la variante représentée en figure 7, les portions 152 et 158 à flancs inclinés et les portions 150 et 156 à flancs inclinés sont adjacentes. De façon plus générale, le fil peut être réalisé, éventuellement à l'exception des portions isolées, en tout ou en partie par une succession de portions à flancs inclinés, l'inclinaison des flancs inclinés d'une portion étant différente de l'inclinaison des flancs inclinés des portions adjacentes. Bien que les modes de réalisation décrits précédemment concernent des composés III-V, ce qui a été décrit peut également être mise en oeuvre pour la fabrication de composés Il-VI (par exemple l'oxyde de zinc ZnO) comprenant un matériau semiconducteur comportant majoritairement un élément du groupe Il et un élément du groupe VI. En outre, bien que l'on ait décrit divers modes de 25 réalisation d'un dispositif optoélectronique large bande, on comprendra que chaque élément de ces divers modes de réalisation peut être combiné de façon différente avec les autres éléments. En particulier, les dispositifs optoélectroniques 30, 80, 110 décrits en relation avec les figures 2, 5 et 6 peuvent être 30 réalisés avec des fils comprenant des portions à flancs inclinés dont la section augmente en s'éloignant du substrat, comme les portions 154, 156 et 158 du fil 130 décrit en relation avec la figure 7. De plus, on a représenté sur les figures des modes de 35 réalisation dans lesquels les fils, recouverts d'une première 23 cristallins (30-31) : 475 nm ; cristallins (20-21) : 440 nm ; cristallins (11-22) : 490 nm.
B12165 - Réf Client 24 électrode, sont formés sur une première face d'un support tandis qu'une deuxième électrode est formée sur une deuxième face du support, opposée à la première face. Toutefois, il est clair que la deuxième électrode peut être prévue du côté de la première face. De plus, bien que, dans les modes de réalisation décrits précédemment, chaque fil comprenne une portion passivée 32, à la base du fil en contact avec la face 18, cette portion passivée 32 peut ne pas être présente.
De plus, si les différents modes de réalisation de dispositifs optoélectroniques décrits précédemment sont adaptés pour émettre un rayonnement électromagnétique, de tels dispositifs peuvent aisément être adaptés par un homme du métier pour recevoir un rayonnement électromagnétique et le convertir en un signal électrique. Une telle adaptation est réalisée en adaptant à la fois la couche active 50, 90, 116, 118 de chacun des fils et en appliquant sur la structure semiconductrice une polarisation adéquate. Une telle adaptation du dispositif 30, 80, 110 peut être réalisée pour former soit un dispositif optoélectronique dédié à la mesure ou la détection d'un rayonnement électromagnétique, soit un dispositif optoélectronique dédié aux applications photovoltaïques.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif optoélectronique (30 ; 80 ; 110) comprenant des microfils ou nanofils (31 ; 81 ; 111 ; 130) dont chacun comprend au moins une première portion (36 ; 150) se prolongeant par une deuxième portion (38, 40 ; 156), la première portion étant la plus proche du support (14) des microfils ou nanofils, dans lequel les première et deuxième portions sont à flancs droits et de diamètres différents, les première et deuxième portions sont à flancs inclinés avec des inclinaisons différentes ou la première portion est à flancs inclinés et la deuxième portion est à flancs droits.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les première et deuxième portions (36, 38, 40 150, 156) sont entourées d'une couche active (50) et d'une couche d'électrode (52).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la couche active (50) comprend une structure à puits quantiques multiples.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la partie de la couche active (50) entourant la première portion active (36) et la partie de la couche active (50) entourant la deuxième portion active (38) sont adaptées à émettre ou capter de la lumière à des longueurs d'onde différentes.
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première ou la deuxième portion (38 ; 150) est à flancs inclinés et a une section droite qui diminue en s'éloignant du support (14) des microfils ou nanofils.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première ou la deuxième portion (156) est à flancs inclinés et a une section droite qui augmente en s'éloignant du support (14) des microfils ou nanofils.B12165 - Réf Client 26
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque microfil ou nanofil (31 ; 81 ; 111 ; 130) comprend une troisième portion (40) prolongeant la deuxième portion, la troisième portion étant à flancs droits ou à flancs inclinés.
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque nanofil ou microfil (11) comprend une alternance de portions isolées (32, 112) et de portions actives, au moins l'une des portions actives comprenant les première et deuxième portions (36, 38, 40), chaque portion active étant entourée d'une couche active (114) et d'une couche d'électrode (116).
  9. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque portion isolée (32, 112) est entourée d'une couche (33, 15 113) de matériau diélectrique ayant une épaisseur comprise entre une monocouche atomique et 10 nm.
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les première et deuxième portions (36, 38, 40 ; 150, 156) comprennent majoritairement un 20 composé III-V.
  11. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le composé III-V est un composé III-N, notamment choisi parmi le groupe comprenant le nitrure de gallium, le nitrure d'aluminium, le nitrure d'indium, le nitrure de gallium et d'indium, le 25 nitrure de gallium et d'aluminium et le nitrure de gallium, d'aluminium et d'indium.
  12. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la hauteur totale de chacune des première et deuxièmes portions (36, 38, 40 ; 150, 156) est 30 supérieure ou égale à 200 nm.
  13. 13. Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la première portion (36 ; 150) est réalisée dans un réacteur avec des premières conditions de fonctionnement du 35 réacteur, et dans lequel la deuxième portion (38, 40 156) estB12165 - Réf Client 27 réalisée dans le même réacteur avec des deuxièmes conditions de fonctionnement différentes des premières conditions de fonctionnement.
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel les 5 première et deuxième portions (36, 38, 40 ; 150, 156) comprennent majoritairement un composé III-V et dans lequel la première ou la deuxième portion est réalisée en faisant augmenter ou diminuer le rapport de proportions de précurseurs des composés III-V avec un taux de variation constant à 10 % 10 près.
  15. 15. Procédé selon la revendication 13, dans lequel les première et deuxième portions (36, 38, 40 ; 154, 156) comprennent majoritairement un composé III--V et dans lequel la première portion est réalisée avec un premier rapport de 15 proportions de précurseurs des composés III-V à une première valeur constant à 10 % près et dans lequel la deuxième portion est réalisée avec un deuxième rapport de proportions de précurseurs des composés III--V constant à 10 % près et différent du premier rapport. 20
  16. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans lequel la première ou la deuxième portion (36, 38, 40 ; 150, 156) est réalisée en faisant augmenter ou diminuer la pression dans le réacteur avec un taux de variation constant à 10 % près. 25
  17. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans lequel la première portion (36 ; 154) est réalisée avec une première pression dans le réacteur à 10 % près et dans lequel la deuxième portion (38, 40 ; 156) est réalisée avec une deuxième pression dans le réacteur constante à 10 % près et 30 différente de la première pression.
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