FR3091622A1 - Structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p à base d’InGaN - Google Patents

Structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p à base d’InGaN Download PDF

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Abstract

L’invention porte sur une structure semi-conductrice optoélectronique (SC) comprenant une couche active (6) à base d’InGaN disposée entre une couche d'injection de type n (5) et une couche d'injection de type p (7), la couche d'injection de type p (7) comprenant une première couche (7a) d'InGaN et, disposée sur cette première couche (7a), une deuxième couche (7b) constituée d’une pluralité de couches élémentaires d’AlGaInN, chaque couche élémentaire présentant une épaisseur inférieure à son épaisseur critique de relaxation, deux couches élémentaires consécutives présentant des compositions d’aluminium et/ou d’indium et/ou de gallium différentes. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

Description
Titre de l'invention : Structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p à base d’InGaN Domaine technique
[0001] La présente invention concerne une structure semi-conductrice optoélectronique, comme par exemple une diode électroluminescente (LED), une diode laser ou une cellule solaire. Elle concerne plus particulièrement une structure semi-conductrice optoélectronique dont la couche d'injection de type P est en InGaN.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0002] Une structure semi-conductrice optoélectronique est généralement formée d'un empilement de couches semi-conductrices cristallines, et notamment d'une couche active disposée entre une couche d'injection de type n et d'une couche d'injection de type p. Dans le cas d'une structure de LED, la couche active peut être constituée d'une alternance de couches barrières et de couches de puits quantiques. Pour permettre une circulation homogène et dense du courant à travers la structure, les couches d'injection doivent être suffisamment épaisses, par exemple supérieures à 200 nm.
[0003] Dans les structures formées à base d’InGaN, la teneur en indium d'une couche de puits quantiques peut être de l'ordre de 10 % pour former une diode émettant dans le bleu, supérieur à environ 20 % lorsque la diode émet dans le vert, et supérieur à environ 40 % pour une diode émettant dans le rouge. Les couches barrières comprennent une teneur en indium inférieure à celle des couches de puits quantiques.
[0004] Plus la teneur en indium est importante, plus le paramètre de maille naturel (c'est-à-dire celui d'une couche qui serait parfaitement relaxée) de la couche de puits quantique est important. Dit autrement, plus la teneur en indium est importante plus la couche de puits quantique est mise en contrainte compressive lorsqu'elle est formée sur un support de croissance présentant un paramètre de maille déterminé.
[0005] Un excès de contraintes dans l’empilement formant une structure optoélectronique peut conduire à former une structure défectueuse. Cette contrainte peut notamment être à l'origine de dislocations traversantes ou de défauts pyramidaux (désigné « V-pits » dans la littérature anglo-saxonne de ce domaine) se formant à la surface des films de GaN ou d’InGaN qui composent cette structure. Ces défauts détériorent les performances fonctionnelles de la structure optoélectronique.
[0006] Pour être moins sensible à ce problème, on connaît des documents EP215852 ou EP215856 des procédés de fabrication visant à former collectivement des structures semi-conductrices sur des îlots superficiels d’InGaN d’un support de croissance. Ces îlots peuvent présenter par exemple une concentration d'indium compris entre 5% et 7 % ou plus, et sont aux moins partiellement relaxés.
[0007] On cherche à faire croître, sur ce support de croissance, la couche d'injection de type n en InGaN pour qu’elle préserve le paramètre de maille du matériau formant les îlots superficiels de croissance. On réduit ainsi les contraintes dans la région active de la structure semi-conductrice qui est formée sur le support, et on favorise l'incorporation d'indium dans la couche active et, plus généralement, améliore l'efficacité du dispositif optoélectronique.
[0008] La formation d'une couche d'injection de type p dans une telle structure semiconductrice optoélectronique est toutefois problématique.
[0009] Lorsque cette couche d'injection de type p est constituée de GaN, la différence de paramètres de maille avec la couche active en InGaN sur laquelle elle repose impose une contrainte importante à la couche d’injection et peut y faire naître des fissures.
[0010] Lorsque la couche d'injection de type p est constituée d'InGaN, notamment avec une concentration d'indium supérieure à 10% ou 15 %, elle doit être formée à relativement basse température, ce qui conduit à former un matériau de faible qualité et présentant une concentration de donneur élevé. De plus, la faible concentration de porteurs électrique de type trou augmente la résistance des contacts de type p, et rend la formation d’un contact ohmique délicat. L'augmentation de la concentration de dopant, par exemple de Mg, pour compenser ces phénomènes ne peut être envisagé, car il conduit à dégrader la qualité cristalline de la couche. Des études ont suggéré que la réalisation de la couche d’injection de type p sous la forme d”un super réseau pouvait améliorer de plusieurs multiples la concentration moyenne en trou de cette couche comparée à la concentration d’une simple couche homogène d’InGaN. Toutefois un tel super réseau est particulièrement complexe et long à réaliser pour une couche d’injection de type p qui doit être nécessairement épaisse.
OBJET DE L’INVENTION
[0011] La présente invention vise à résoudre au moins en partie ces problèmes. Elle vise plus particulièrement à former une structure semi-conductrice optoélectronique comprenant une couche d’injection de type p en InGaN dont les propriétés électriques sont satisfaisantes et dont les propriétés cristallines puissent être préservées.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
[0012] En vue de la réalisation de ce but, l’objet de l’invention propose une structure semiconductrice optoélectronique comprenant une couche active à base d’InGaN disposée entre une couche d'injection de type n et une couche d'injection de type p, la couche d'injection de type p comprenant une première couche d'InGaN et, disposée sur cette première couche, une deuxième couche constituée d’une pluralité de couches élémentaires d’AlGalnN, chaque couche élémentaire présentant une épaisseur inférieure à son épaisseur critique de relaxation, deux couches élémentaires consécutives présentant des compositions d’aluminium et/ou d’indium et/ou de gallium différentes.
[0013] Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- les couches élémentaires présentent toutes une épaisseur comprise entre Inm et 30nm ;
- la pluralité de couches élémentaires est formée de la répétition d'une structure périodique composée d'au moins deux couches élémentaires ;
- la structure périodique est composée d'une première couche élémentaire d'InGaN et d'une seconde couche élémentaire de GaN, d'AIN ou d’AlGaN ;
- la structure périodique est composée d'une première couche élémentaire d'InGaN, la composition en indium de la première couche élémentaire étant différente d’une structure périodique à l’autre ;
- la première couche présente une épaisseur comprise entre 50 et 300 nanomètres.
Brève description des dessins
[0014] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence à la figure annexée qui représente une structure semi-conductrice optoélectronique conforme à la présente invention, disposée sur un support de croissance.
Description des modes de réalisation
[0015] [fig.l]
La figure 1 représente une pluralité de structures semi-conductrices optoélectroniques SC, ici des LEDs, disposées sur un support de croissance 1.
[0016] La structure SC est formée d'une couche d'injection de type n 5, d'une couche d'injection de type p 7, et disposée entre ces deux couches, d'une couche active de LED 6.
[0017] Le support de croissance 1 est un support « à îlot » dont on pourra trouver une description détaillée dans les documents cités dans la partie introductive à cette demande. Il comporte donc un substrat de base 2, par exemple en saphir, une couche intermédiaire 3 formée d'un matériau ou d’une pluralité de matériaux diélectriques, tel que du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium, et d'une pluralité d’îlots de croissances 4 aux moins partiellement relaxés.
[0018] D'une manière générale, les îlots de croissance 4 sont constitués d'un matériau dont la formule générale est AlInGaN et ils présentent un paramètre de maille correspondant au paramètre de maille naturel d'une couche d’InGaN, présentant une proportion d'indium compris entre 5% et 40%.
[0019] Dans l'exemple de la figure 1, les îlots de croissance 4 sont constitués d'InGaN, avec une proportion d'indium de 15 %, et sont relaxés à 90 %.
[0020] Sur les îlots de croissance 4 on a formé une pluralité de structures semi-conductrices SC, par des techniques conventionnelles d’épitaxie. Il peut s'agir d’un dépôt métallo organique en phase vapeur (MOCVD selon l'acronyme de la terminologie anglosaxonne) ou d’un dépôt par jets moléculaires (MBE).
[0021] Une structure SC est ici formée d'une couche d'injection 5 de type n en InGaN, par exemple dopée au silicium dans une concentration de l’ordre de 10Λ18 à 10Λ19 cmA-3. Sa concentration en indium est sensiblement égale à celle du matériau constituant les îlots 4, de l’ordre de 13,5 %, de manière à faire concorder leurs paramètres de maille ou pour placer la couche d’injection 5 en faible tension. Cette couche présente une épaisseur typiquement comprise entre 200 et 400 nm.
[0022] Dans une alternative à l'exemple représenté sur la figure 1, la couche d'injection de type n 5 peut être réalisée sous la forme d'un super réseau. Il peut ainsi s'agir d’une pluralité de couches élémentaires d’AUnGaN très fines, d'épaisseur inférieure à quelques dizaines de nanomètres, par exemple 30 nm, et de natures différentes. Ainsi, la couche d’injection 5 peut être formée de la répétition d’une structure périodique comprenant une première couche élémentaire d’InGaN et d’une seconde couche élémentaire de GaN, d’AIN, ou d’AlGaN. Les couches élémentaires présentent toutes une épaisseur inférieure à leur épaisseur critique de relaxation.
[0023] On choisira les proportions d’aluminium, d’indium et de gallium et les épaisseurs de chacune des couches composant le super réseau, pour que la couche de composition homogène correspondante présente un paramètre de maille naturel, sensiblement équivalente au paramètre de maille des îlots de croissance 4. En d’autres termes, le paramètre de maille de la couche d’injection 5, tel que mesuré par XRD, correspond au paramètre de maille des îlots de croissance. Comme dans le cas d’une couche d’injection 5 homogène, on limite de la sorte les contraintes qui s'accumulent dans la structure semi-conductrice au cours de sa croissance.
[0024] Revenant à la description de la figure 1, la structure semi-conductrice optoélectronique SC comprend également, sur la couche d'injection de type n 5, une couche active 6. Cette couche est formée d'une pluralité d’alternances de couches barrière couches de puits quantiques en InGaN. Les couches barrières présentent une concentration d’indium similaire à celle de la couche injection de type n 5, ici de l’ordre de 13,5%. Les couches de puits quantiques en InGaN présentent une concentration d'indium choisie selon la longueur d'onde émission désirée. Dans l'exemple représenté, cette concentration est de 25 %.
[0025] Sur la couche active 6, la structure semi-conductrice SC comporte une couche d'injection de type p 7.
[0026] Cette couche d'injection 7 est composée d'une première couche 7a constituée d’InGaN dopée p, par exemple incorporant une concentration de l’ordre de 10Λ18 cmA-3 de Mg. Cette première couche 7a présente une épaisseur typiquement comprise entre 50 et 350 nm. On cherche à nouveau à accorder le paramètre de maille de cette couche à celui de l'empilement sur lequel elle est formée, ou à placer cette couche en faible tension. D'une manière très générale, la concentration en indium de cette première couche 7a correspond à celle de la couche d'injection de type n 5, ici de l'ordre de 13,5 %.
[0027] Pour accroître la concentration d’accepteurs et améliorer la conductivité et la qualité de contact ohmique de la couche d'injection de type p 7, on prévoit de former, sur cette première couche 7a, une deuxième couche 7b.
[0028] Cette deuxième couche 7b est formée de couches élémentaires en un matériau dont la formule générale est InAlGaN. Ces couches élémentaires présentent des épaisseurs choisies, selon leur nature, pour être inférieure à l'épaisseur critique au-delà de laquelle des défauts (des fissures, défauts pyramidaux) sont susceptibles de se former. Typiquement, les couches élémentaires présentent une épaisseur comprise entre 1 et 30 nanomètres. Bien entendu, deux couches élémentaires successives présentent des compositions d’aluminium et/ou d’indium et/ou de gallium différentes, ce qui permet de les définir et de les distinguer. Cette deuxième couche 7b est de préférence en contrainte compressive ou en tension.
[0029] Les couches élémentaires sont dopées, au moins pour une majorité d'entre elles, de manière à conférer à la deuxième couche des propriétés électriques de type p. Il peut s'agir d'un dopage de Mg dans une concentration comprise entre 10Λ19 et 10Λ22 per cmA3.
[0030] La forme générale de la couche d'injection de type p 7 qui vient d’être décrite est avantageux à plusieurs titres.
[0031] Tout d'abord, la deuxième couche 7b ne présente pas ou très peu (relativement à la première couche) de défauts structurels tels que des fissures ou des défauts pyramidaux. La multiplicité des couches élémentaires en recouvrement les unes des autres limite également les effets que des défauts résiduels pourraient causer au cours des traitements humides que la couche pourrait subir. On protège ainsi la structure semi-conductrice des agents liquides qu'il est nécessaire parfois d'appliquer en vue de réaliser des dispositifs fonctionnels. Il est notamment possible de traiter les structures semi-conductrices de la figure 1 à l’aide d’un solution liquide de KOH, en vue de désoxyder les surfaces, avant de procéder au dépôt de plots de métal formant des contacts électriques sur la couche de type p.
[0032] Par ailleurs, des études présentées succinctement en introduction de cette demande ont montré que la génération de porteurs de type trou dans la couche formée d'une pluralité de couches élémentaires dopées qui vient d'être décrite était bien plus efficace que dans une couche homogène.
[0033] La deuxième couche 7b confère donc à cette partie de la couche d'injection de type p des caractéristiques électriques qui sont particulièrement intéressante. Il n'est toutefois pas nécessaire que toute la couche injection de type p soit constituée de telles couches élémentaires, et on prévoit donc qu’une partie de cette couche d'injection, la première couche 7a, soit constituée d’une d'une simple couche d’InGaN.
[0034] On facilite ainsi la fabrication de la structure semi-conductrice en évitant de former des répétitions inutiles de couches élémentaires.
[0035] Ainsi, l'épaisseur de la première couche 7a peut être comprise entre 50 et 300 nanomètres, et l’épaisseur de la deuxième couche 7b, c'est-à-dire l’épaisseur combinée des couches élémentaires, comprise entre 100 et 350 nanomètres. A ce titre, on prévoira un nombre suffisant de couches élémentaires, dont les épaisseurs individuelles sont limitées pour ne pas excéder leur épaisseur critique respective, afin de former une deuxième couche d’épaisseur choisie. D'une manière générale la couche d'injection de type p présente une épaisseur totale inférieure 400 nm, et comprise entre 200nm et 400nm.
[0036] Pour faciliter la conception et la fabrication de la deuxième couche 7b, la pluralité de couches élémentaires peut être formée de la répétition d'une structure périodique composée d'au moins deux couches élémentaires. Cette structure périodique est formée de manière successive et répétée sur la première couche 7a, un nombre de fois suffisant pour former la deuxième couche d'épaisseur choisie.
[0037] On peut ainsi prévoir une structure périodique composée d'une première couche élémentaire d’InGaN et d'une seconde couche élémentaire de GaN, d'AIN d'épaisseurs inférieures à 2 nm pour éviter toute fissuration, ou d’AlGaN présentant une composition d'aluminium inférieure à 20 % pour les mêmes raisons de fissuration et pour éviter de dégrader la conductivité de la couche.
[0038] La concentration en indium, dans la première couche élémentaire d’InGaN de la structure périodique, n'est pas nécessairement constante d’une structure périodique à l’autre dans la deuxième couche 7b. On peut envisager de faire croître ou décroître cette concentration à partir d'une valeur de concentration initiale de la première couche élémentaire disposée au plus proche de la première couche 7. On forme de la sorte une deuxième couche 7b correspondant à une couche homogène d’InGaN présentant un gradient de concentration d’indium.
[0039] La structure périodique peut également comprendre plus de deux couches élémentaires. On peut par exemple prévoir une structure périodique formée d’un empilement de couches élémentaires d’InGaN, de GaN et d’AlGaN.
[0040] Quelle que soit la nature exacte de la deuxième couche 7b de la couche d'injection de type p, celle-ci présente une concentration en trous supérieure à celle qui serait présente dans une couche homogène d’InGaN et présente une densité de défauts de type traversant réduit, ce qui permet de former une couche d’injection de grande qualité et un contact ohmique de grande qualité également.
[0041] Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
[0042] Bien que l’on ait présenté ici un substrat de croissance sous la forme d’un substrat à îlots, il pourrait s’agir d’un substrat de tout autre nature qui permette la croissance d’une structure semi-conductrice optoélectronique à base d’InGaN.

Claims (1)

  1. Revendications [Revendication 1] Structure semi-conductrice optoélectronique (SC) comprenant une couche active (6) à base d’InGaN disposée entre une couche d'injection de type n (5) et une couche d'injection de type p (7), la couche d'injection de type p (7) comprenant une première couche (7a) d'InGaN et, disposée sur cette première couche (7a), une deuxième couche (7b) constituée d’une pluralité de couches élémentaires d’AlGalnN, chaque couche élémentaire présentant une épaisseur inférieure à son épaisseur critique de relaxation, deux couches élémentaires consécutives présentant des compositions d’aluminium et/ou d’indium et/ou de gallium différentes. [Revendication 2] Structure semi-conductrice (SC) selon la revendication précédente dans laquelle les couches élémentaires présentent toutes une épaisseur comprise entre Inm et 30nm. [Revendication 3] Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la pluralité de couches élémentaires est formée de la répétition d'une structure périodique composée d'au moins deux couches élémentaires. [Revendication 4] Structure semi-conductrice (SC) selon la revendication précédente dans laquelle la structure périodique est composée d'une première couche élémentaire d'InGaN et d'une seconde couche élémentaire de GaN, d'AIN ou d’AlGaN. [Revendication 5] Structure semi-conductrice (SC) selon la revendication 3 ou 4 dans laquelle la structure périodique est composée d'une première couche élémentaire d'InGaN, la composition en indium de la première couche élémentaire étant différente d’une structure périodique à l’autre. [Revendication 6] Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la première couche (7a) présente une épaisseur comprise entre 50 et 300 nanomètres. [Revendication 7] Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle l'épaisseur de la deuxième couche (7b) est comprise entre 150 et 350 nanomètres. [Revendication 8] Structure semi-conductrice (SC) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la couche d'injection de type p (7) présente une épaisseur inférieure à 400 nm.
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