FR3098019A1 - Dispositif optoélectronique comprenant des éléments semi-conducteurs tridimensionnels et procédé pour sa fabrication - Google Patents

Dispositif optoélectronique comprenant des éléments semi-conducteurs tridimensionnels et procédé pour sa fabrication Download PDF

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Abstract

Dispositif optoélectronique comprenant des éléments semi-conducteurs tridimensionnels et procédé pour sa fabrication La présente description concerne un procédé de fabrication d’un dispositif (70) comprenant la formation, par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique, MOCVD, d’éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques ou tronconiques (34) en un composé III-V, dopé ou non dopé, chaque élément semi-conducteur s’étendant suivant un axe (C) et comprenant une partie supérieure (35), et la formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à distance, RPCVD, ou par épitaxie par jets moléculaires, MBE, ou par épitaxie en phase vapeur hybride, HVPE, pour chaque élément semi-conducteur, d’une région active (44) seulement sur ladite partie supérieure comprenant au moins une première couche semi-conductrice constituée du composé III-V et une deuxième couche semi-conductrice constituée du composé III-V et d’un élément du groupe III additionnel. Figure pour l'abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif optoélectronique comprenant des éléments semi-conducteurs tridimensionnels et procédé pour sa fabrication
La présente description concerne de façon générale des dispositifs optoélectroniques comprenant des éléments semi-conducteurs tridimensionnels, par exemple des microfils, des nanofils, des éléments coniques de taille nanométrique ou micrométrique, ou des éléments tronconiques de taille nanométrique ou micrométrique, et des procédés pour les fabriquer. Le terme "dispositifs optoélectroniques" est utilisé pour désigner des dispositifs pouvant convertir un signal électrique en un rayonnement électromagnétique, ou en sens inverse, et en particulier des dispositifs dédiés à la détection, la mesure ou l’émission d’un rayonnement électromagnétique, ou des dispositifs dédiés à des applications photovoltaïques.
L’amélioration de dispositifs optoélectroniques de type axial comprenant une région active formée sur la partie supérieure de chaque élément semi-conducteur tridimensionnel est ici considérée plus particulièrement. La région active est la région émettant la plus grande partie du rayonnement électromagnétique fourni par le dispositif électronique ou la région capturant la plus grande partie du rayonnement électromagnétique reçu par le dispositif électronique.
Les éléments semi-conducteurs tridimensionnels considérés ici comprennent un matériau semi-conducteur comprenant principalement un élément du groupe III et un élément du groupe V (par exemple, le nitrure de gallium GaN), appelé dans la suite composé III-V. De tels dispositifs sont par exemple décrits dans le brevet US9728680.
Un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique comprenant des éléments semi-conducteurs dans la plage nanométrique ou dans la plage micrométrique comprend généralement la croissance d’éléments semi-conducteurs et la croissance d’une région active recouvrant la partie supérieure de chaque élément semi-conducteur. Le dispositif optoélectronique peut être formé dans un réacteur, par exemple par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD). Le procédé comprend en général l’introduction dans le réacteur de gaz précurseurs du composé III-V dans des proportions qui favorisent la croissance de chaque élément semi-conducteur et de chaque région active de préférence suivant un axe.
La formation des régions actives peut comprendre l’introduction dans le réacteur d’un gaz précurseur pour un composé III additionnel, par exemple de l’indium, dont la proportion contrôle la longueur d’onde du rayonnement émis ou absorbé par les régions actives. Habituellement, plus la proportion du composé III additionnel est élevée, plus la longueur d’onde du rayonnement émis/absorbé est élevée. Toutefois, il peut être difficile d’incorporer une grande proportion du composé III additionnel et ainsi l’émission ou l’absorption de lumière verte ou rouge peut être difficile à obtenir.
Ainsi, un objet d’un mode de réalisation est de résoudre au moins partiellement les inconvénients des dispositifs optoélectroniques décrits précédemment comprenant des éléments semi-conducteurs dans la plage micrométrique ou nanométrique, en particulier des microfils ou des nanofils semi-conducteurs, et de leurs procédés de fabrication.
Un autre objet d’un mode de réalisation est de pouvoir contrôler avec précision les formes des couches semi-conductrices des régions actives reposant sur les éléments semi-conducteurs de la plage micrométrique ou nanométrique.
Un autre objet d’un mode de réalisation est, pour toute longueur d’onde se trouvant dans au moins le spectre visible, de pouvoir former une région active sur un élément semi-conducteur de la plage micrométrique ou nanométrique émettant ou absorbant un rayonnement à cette longueur d’onde.
Un autre objet d’un mode de réalisation est de pouvoir fabriquer les dispositifs optoélectroniques comprenant des éléments semi-conducteurs dans la plage nanométrique ou micrométrique à une échelle industrielle et à faible coût.
Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique comprenant la formation, par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique, MOCVD, d’éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques en un composé III-V, dopé ou non dopé, chaque élément semi-conducteur s’étendant suivant un axe et comprenant un sommet, et la formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à distance, RPCVD, ou par épitaxie par jets moléculaires, MBE, ou par épitaxie en phase vapeur hybride, HVPE, pour chaque élément semi-conducteur, d’une région active seulement sur ledit sommet comprenant au moins une première couche semi-conductrice composée du composé III-V et une deuxième couche semi-conductrice composée du composé III-V et d’un élément du groupe III additionnel.
Selon un mode de réalisation, chaque région active comprend au moins un puits quantique formé sur une barrière quantique, et les conditions de croissance de la barrière quantique sont choisies de manière à favoriser la formation d’une surface supérieure de la barrière quantique ayant un plan c avec un diamètre moyen souhaité.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la formation, parmi lesdits éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques, de premiers éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques ayant un premier diamètre moyen et de deuxièmes éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques ayant un deuxième diamètre moyen supérieur au premier diamètre, les régions actives se trouvant sur le sommet des premiers éléments semi-conducteurs émettant un premier rayonnement à une première longueur d’onde et les régions actives se trouvant sur le sommet des deuxièmes éléments semi-conducteurs émettant un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d’onde différente de la première longueur d’onde.
Selon un mode de réalisation, l’étape MOCVD est réalisée à une température comprise entre 900 °C et 1065 °C et l’étape de formation des régions actives est réalisée à une température comprise entre 570 °C et 800 °C.
Selon un mode de réalisation, un gaz précurseur de l’élément du groupe V et un gaz précurseur de l’élément du groupe III sont injectés dans le premier réacteur pendant l’étape MOCVD et le rapport entre le débit de gaz précurseur de l’élément du groupe V et le débit de gaz précurseur de l’élément du groupe III, appelé rapport V/III, est compris entre 5 et 1000.
Selon un mode de réalisation, l’étape MOCVD est réalisée à une pression comprise entre 6,7 kPa et 26,7 kPa.
Selon un mode de réalisation, l’étape de formation des régions actives est une étape RPCVD réalisée à une pression comprise entre 400 Pa et 1333 Pa.
Selon un mode de réalisation, l’étape de formation des régions actives est une étape MBE réalisée à une pression comprise entre 4*10-3mPa et 8*10-6mPa.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, avant la formation des régions actives, la formation par RPCVD, MBE ou HVPE, pour chaque élément semi-conducteur, d’une première couche semi-conductrice du composé III-V sur ledit sommet.
Selon un mode de réalisation, l’étape MBE de formation des premières couches semi-conductrices est réalisée à une température comprise entre 800 °C et 900 °C.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après la formation des régions actives, la formation par RPCVD, MBE ou HVPE, pour chaque élément semi-conducteur, d’une deuxième couche semi-conductrice sur la région active du composé III-V.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après la formation des régions actives et avant la formation des deuxièmes couches semi-conductrices, la formation par RPCVD, MBE ou HVPE, pour chaque élément semi-conducteur, d’une couche de blocage d’électrons de la région active.
Selon un mode de réalisation, les régions actives sont les régions à partir desquelles la plus grande partie du rayonnement fourni par le dispositif optoélectronique est émise ou dans lesquelles la plus grande partie du rayonnement reçu par le dispositif optoélectronique est capturée.
Selon un mode de réalisation, le composé III-V est un composé III-N, sélectionné en particulier dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, le nitrure d’aluminium, le nitrure d’indium, le nitrure de gallium indium, le nitrure d’aluminium gallium, le nitrure d’aluminium indium, et le nitrure de gallium aluminium indium.
Un mode de réalisation prévoit aussi un dispositif optoélectronique fabriqué par le procédé de fabrication décrit précédemment.
Selon un mode de réalisation, les éléments semi-conducteurs comprennent au moins des premiers et deuxièmes éléments semi-conducteurs, les régions actives comprenant des premières régions actives reposant sur les sommets des premiers éléments semi-conducteurs et agencées pour émettre ou recevoir un premier rayonnement électromagnétique à une première longueur d’onde, et des deuxièmes régions actives reposant sur les sommets des deuxièmes éléments semi-conducteurs et agencées pour émettre ou recevoir un deuxième rayonnement électromagnétique à une deuxième longueur d’onde différente de la première longueur d’onde.
Selon un mode de réalisation, le diamètre de chaque premier élément semi-conducteur est inférieur au diamètre de chaque deuxième élément semi-conducteur, les première et deuxième régions actives comprenant un seul puits quantique ou de puits quantiques multiples, et la première longueur d’onde étant supérieure à la deuxième longueur d’onde.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 est une vue en coupe simplifiée partielle d’un mode de réalisation d’un dispositif électronique comprenant des microfils ou des nanofils ;
la figure 2 représente une étape d’un mode de réalisation d’un procédé de fabrication du dispositif optoélectronique de la figure 1 ;
la figure 3 représente une autre étape du procédé de fabrication ;
la figure 4 représente une autre étape du procédé de fabrication ;
la figure 5 représente une autre étape du procédé de fabrication ;
la figure 6 représente une autre étape du procédé de fabrication ;
la figure 7 représente une autre étape du procédé de fabrication ;
la figure 8 représente, sur le côté gauche, une image en coupe, obtenue par microscopie électronique en transmission, d’une partie d’une première diode électroluminescente et, sur le côté droit, une vue en coupe simplifiée représentant les contours des régions de l’image TEM se trouvant sur le côté gauche ;
la figure 9 représente sur le côté gauche, une image en coupe TEM d’une partie d’une deuxième diode électroluminescente et, sur le côté droit, une vue en coupe simplifiée représentant les contours des régions de l’image TEM se trouvant sur le côté gauche ;
la figure 10 est une vue en coupe simplifiée partielle d’un autre mode de réalisation d’un dispositif optoélectronique comprenant des microfils ou des nanofils de différents diamètres ; et
la figure 11 est une vue en coupe simplifiée partielle d’un autre mode de réalisation d’un dispositif optoélectronique comprenant des microfils ou des nanofils de différents diamètres.
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. En outre, comme cela est usuel dans la représentation de circuits électroniques, les divers dessins ne sont pas à l’échelle. En outre seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension de la présente description ont été représentés et seront décrits. En particulier, les moyens pour polariser le dispositif optoélectronique sont bien connus et ne seront pas décrits.
Dans la description qui suit, sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures ou à un dispositif optoélectronique orienté dans une position normale d'utilisation. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. En outre, sauf précision contraire, l’expression "isolant" signifie "électriquement isolant" et l’expression "conducteur" signifie "électriquement conducteur".
La présente demande concerne particulièrement des dispositifs optoélectroniques comprenant des éléments tridimensionnels, par exemple des microfils, des nanofils, des éléments coniques de taille nanométrique ou micrométrique, ou des éléments tronconiques de taille nanométrique ou micrométrique. En particulier, un élément conique ou tronconique peut être un élément conique ou tronconique circulaire ou un élément conique ou tronconique pyramidal. Dans la description qui suit, des modes de réalisation sont décrits en particulier pour des dispositifs électroniques comprenant des microfils ou des nanofils. Toutefois, de tels modes de réalisation peuvent être mis en œuvre pour des éléments tridimensionnels autres que des microfils ou des nanofils, par exemple des éléments tridimensionnels coniques ou tronconiques.
Les termes "microfil", "nanofil", "élément conique" ou "élément tronconique" désignent une structure tridimensionnelle ayant une forme allongée suivant une direction préférée, ayant au moins deux dimensions, appelées dimensions mineures, comprise entre 5 nm et 2,5 µm, de préférence entre 50 nm et 1 µm, plus préférablement entre 30 nm et 300 nm, la troisième dimension, appelée dimension majeure, étant supérieure ou égale à 1 fois, de préférence supérieure ou égale à 5 fois, la dimension mineure la plus grande, par exemple comprise entre 1 µm et 5 µm.
Dans la description qui suit, le terme "fil" est utilisé pour désigner "microfil" ou "nanofil". De préférence, la ligne médiane du fil qui passe par les centres de gravité des coupes, dans des plans perpendiculaires à la direction préférée du fil, est sensiblement rectiligne et est appelée "axe" du fil dans la suite. Le diamètre du fil est ici défini comme étant une quantité associée au périmètre du fil au niveau d’une coupe. Ce peut être le diamètre d’un disque ayant la même surface que la section du fil. Le diamètre local, appelé aussi diamètre dans la suite, est le diamètre du fil au niveau d’une hauteur donnée de celui-ci le long de l’axe du fil. Le diamètre moyen est la moyenne, par exemple arithmétique, des diamètres locaux le long du fil ou d’une portion de celui-ci.
Dans la description qui suit, on va décrire des modes de réalisation dans le cas d’un dispositif optoélectronique comprenant des diodes électroluminescentes. Il sera toutefois clair que ces modes de réalisation peuvent concerner d’autres applications, en particulier des dispositifs dédiés à la détection ou à la mesure d’un rayonnement électromagnétique, ou des dispositifs dédiés à des applications photovoltaïques.
Selon un mode de réalisation, chaque diode électroluminescente de type axial comprend un fil, comme décrit précédemment, et une région active sur la partie supérieure du fil. Selon un mode de réalisation, les fils sont formés par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD) et au moins les régions actives sont formées par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à distance (RPCVD), ou par épitaxie par jets moléculaires (MBE), ou par épitaxie en phase vapeur hybride (HVPE).
La formation des fils par MOCVD permet avantageusement d’obtenir des fils ayant moins de défauts, en particulier sans défauts, par rapport à ceux qui peuvent être obtenus par des procédés RPCVD, MBE ou HVPE. La formation des fils par MOCVD permet avantageusement d’obtenir une croissance rapide des fils. La région active peut comprendre un puits quantique ou des puits quantiques en un composé ternaire qui comprend les éléments des groupes III et V du fil et un élément du groupe III supplémentaire. La longueur du rayonnement émis par la région active dépend de la proportion incorporée d’élément supplémentaire du groupe III. Par exemple, les fils peuvent être en GaN et le ou les puits quantiques peuvent être en InGaN. La longueur du rayonnement émis par la région active dépend par conséquent de la proportion d’In incorporée. Les procédés RPCVD, MBE et HVPE permettent avantageusement d’incorporer une proportion supérieure de l’élément supplémentaire du groupe III dans les puits quantiques par rapport au procédé MOCVD.
En outre, le fait que la région active soit formée seulement sur la partie supérieure du fil, et pas sur les côtés latéraux du fil, permet avantageusement de former la région active seulement sur un plan c ou des plans semi-polaires et pas sur des plans m. Cela permet avantageusement d’incorporer une proportion supérieure de l’élément supplémentaire du groupe III dans les puits quantiques par rapport au cas où on fait croître la région active sur des plans m.
La région active est la région à partir de laquelle est émise la plus grande partie du rayonnement fourni par la diode électroluminescente. La région active peut comprendre des moyens de confinement. La région active peut comprendre un puits quantique, deux puits quantiques ou plusieurs puits quantiques, chaque puits quantique étant interposé entre deux couches barrières, le puits quantique ayant une énergie de bande interdite inférieure à celle des couches barrières. La formation de la région active par RPCVD, MBE ou HVPE permet avantageusement de mettre en forme avec précision la surface sur laquelle est formé chaque puits quantique. Dans un mode de réalisation, les conditions de croissance d’une couche barrière peuvent être sélectionnées de manière à ce que la surface supérieure de la couche barrière, sur laquelle est formé le puits quantique, ait une orientation purement de plan c. Dans un mode de réalisation, les conditions de croissance d’une couche barrière semi-conductrice peuvent être choisies de manière à ce que la surface supérieure de la couche barrière, sur laquelle est formé le puits quantique, comprenne des plans purement semi-polaires. Dans un mode de réalisation, les conditions de croissance d’une couche barrière peuvent être choisies de telle manière que la surface supérieure de la couche barrière, sur laquelle est formée la région active, comprenne une combinaison de plans polaires / semi-polaires pour commander le diamètre du plan c au-dessus de la couche barrière. La longueur d’onde du rayonnement émis par le puits quantique peut dépendre des plans cristallins sur lesquels on fait croître le puits quantique. C’est le cas par exemple lorsque la région active comprend un ou des puits quantiques en un composé ternaire qui comprend les éléments des groupes III et V du fil et un élément supplémentaire du groupe III. La longueur du rayonnement émis par la région active dépend de la proportion incorporée de l’élément du groupe III qui dépend des plans cristallins de la surface sur laquelle on fait croître le puits quantique. Par conséquent, le fait de contrôler avec précision la surface supérieure de la couche barrière permet d’obtenir un contrôle précis de la longueur d’onde émise par le puits quantique qu’on a fait croître sur la couche barrière.
En outre, une coiffe semi-conductrice du même composé III-V que le fil peut avantageusement être formée sur la partie supérieure du fil par RPCVD, MBE ou HVPE avant la formation de la région active. Cela permet avantageusement de remettre en forme la surface sur laquelle est formée la région active.
Le procédé décrit précédemment peut être mis en œuvre pour fabriquer un dispositif optoélectronique capable d’afficher des images, en particulier un écran d’affichage ou un dispositif de projection d’images. En particulier, le procédé décrit précédemment peut être mis en œuvre de manière à fabriquer des fils de différents diamètres moyens, par exemple des premiers fils ayant un petit diamètre moyen, des deuxièmes fils ayant un diamètre intermédiaire et des troisièmes fils ayant un gros diamètre. Les régions actives formées sur les premiers, deuxièmes et troisièmes fils vont émettre des rayonnements à des longueurs d’onde différentes. Un écran d’affichage en couleur peut alors être fabriqué. En outre, avec le procédé décrit précédemment, des fils ayant des parties supérieures comportant seulement un plan c et aucun plan semi-polaire peuvent être formés. Dans ce cas, les régions actives formées sur les premiers, deuxièmes et troisièmes fils vont émettre des rayonnements à des longueurs d’onde décroissantes respectivement, par exemple de lumière rouge, verte et bleue respectivement.
La figure 1 est une vue en coupe simplifiée partielle d’un dispositif optoélectronique 10 formé à partir de fils tels que décrits précédemment et pouvant émettre un rayonnement électromagnétique.
Le dispositif optoélectronique 10 comprend, de bas en haut en figure 1 :
un substrat 14, par exemple semi-conducteur, comprenant des faces opposées parallèles 16 et 18, de préférence planes, la face 18 étant traitée pour favoriser la croissance de fils de manière organisée. Ce traitement est représenté schématiquement en figure 1 par un empilement 20 de couches germes sur la face 18 du substrat 14, deux couches germes 22, 24 étant représentées à titre d’exemple en figure 1 ;
un empilement 26 de couches isolantes, deux couches isolantes 28, 30 étant représentées à titre d’exemple en figure 1, recouvrant la couche germe 24 et comprenant des ouvertures traversantes 32 ;
des fils 34 ayant un axe C, deux fils 34 étant représentés en figure 1 ;
pour chaque fil 34, une tête 36 recouvrant la partie supérieure 35 du fil 34 ;
une couche isolante 38 recouvrant les faces latérales des fils 34, et partiellement les faces latérales des têtes 36 ; et
une couche d’électrode 40 recouvrant la couche isolante 38 et en contact avec les têtes 36.
Le dispositif optoélectronique 10 comprend une autre électrode, non représentée, pour polariser la base des fils 34.
Chaque tête 36 comprend du bas vers le haut en figure 1 :
une couche semi-conductrice 42, appelé aussi coiffe semi-conductrice, du même matériau que le fil 34 et dopé avec un premier type de conductivité, par exemple, du type N, recouvrant la partie supérieure 35 du fil 34 et ayant une face supérieure 43 ;
une région active 44 recouvrant la face 43 de la couche semi-conductrice 42 ; et
pour chaque fil 34, un empilement semi-conducteur 46 recouvrant la région active 44 et comprenant une couche semi-conductrice 50, ayant un type de conductivité opposé à celui du fil 34, recouvrant la région active 44.
L’assemblage formé par chaque fil 34 et par la tête 36 associée forme une diode électroluminescente LED en configuration axiale. La région active 44 est la région à partir de laquelle est émis le plus de rayonnement électromagnétique fourni par la diode électroluminescente LED. Plusieurs diodes électroluminescentes LED peuvent être connectées en parallèle et former un assemblage de diodes électroluminescentes. L’assemblage peut comprendre de quelques diodes électroluminescentes LED à quelques milliers de diodes électroluminescentes.
L’empilement 46 peut en outre comprendre une couche de blocage d’électrons 48 entre la région active 44 et la couche semi-conductrice 50, et une couche de liaison 52 recouvrant la couche semi-conductrice 50 sur le côté opposé à la région active 44, la couche de liaison 52 étant recouverte par l’électrode 40. La couche de liaison 52 peut être en le même matériau semi-conducteur que la couche semi-conductrice 50, avec le même type de conductivité que la couche 50 semi-conductrice mais avec une concentration en dopant supérieure. La couche de liaison 52 permet de former un contact ohmique entre la couche conductrice 50 et l’électrode 40.
Chaque fil 34, chaque couche semi-conductrice 42, 50, 52 et chaque couche de région active 44 est au moins partiellement formé à partir d’au moins un matériau semi-conducteur. Selon un mode de réalisation, le matériau semi-conducteur est un composé III-V, par exemple un composé 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, AlN, InN, InGaN, AlGaN ou AlInGaN. D’autres éléments du groupe V peuvent aussi être utilisés, par exemple, le phosphore ou l’arsenic. En général, les éléments se trouvant dans le composé III-V peuvent être combinés selon différentes fractions molaires. Le matériau semi-conducteur des fils 34 et des couches semi-conductrices 42, 50, 52 peut comprendre un dopant, par exemple, du silicium assurant un dopage de type N d’un composé III-N, ou du magnésium assurant un dopage de type P d’un composé III-N.
Chaque fil 34 peut avoir une structure semi-conductrice allongée suivant un axe C sensiblement perpendiculaire à la surface 18. Chaque fil 34 peut avoir une forme généralement cylindrique. Les axes de deux fils 34 adjacents peuvent être distants de 100 nm à 3 µm et de préférence de 200 nm à 1,5 µm. La hauteur de chaque fil 34 peut être comprise entre 150 nm et 10 µm, de préférence entre 200 nm et 1 µm, plus préférablement entre 250 nm et 750 nm. Le diamètre moyen de chaque fil 34 peut être compris entre 50 nm et 10 µm, de préférence entre 100 nm et 2 µm, plus préférablement entre 120 nm et 1 µm. La section des fils 34 peut avoir différentes formes, comme par exemple une forme ovale, circulaire ou polygonale, en particulier triangulaire, rectangulaire, carrée, ou hexagonale.
La région active 44 est la région à partir de laquelle est émise la plus grande partie du rayonnement fourni par la diode électroluminescente LED. Selon un exemple, la région active 44 peut comprendre des moyens de confinement. La région active 44 peut comprendre au moins un puits quantique, comprenant une couche d’un matériau semi-conducteur additionnel ayant une énergie de bande interdite inférieure à celle de la couche semi-conductrice 42 et de la couche semi-conductrice 50, de préférence interposée entre deux couches barrières, améliorant ainsi le confinement des porteurs de charge. Le matériau semi-conducteur additionnel peut comprendre le composé III-V des couches semi-conductrices dopées 42, 50 ayant au moins un élément additionnel incorporé dedans. À titre d’exemple, dans le cas de fils 34 constitués de GaN, le matériau additionnel formant le puits quantique est de préférence InGaN. Le pourcentage atomique de l’élément additionnel est fonction des propriétés optiques souhaitées du spectre d’émission de la diode électroluminescente LED. La région active 44 peut être constituée d’un seul puis quantique ou d’une pluralité de puits quantiques.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque fil 34 est en GaN, le ou les puits quantiques de la région active 44 étant en InGaN. La longueur d’onde d’émission de la région active 44 dépend particulièrement de la proportion d’indium dans le ou les puits quantiques. La couche semi-conductrice 42 peut être en GaN et être dopée avec le premier type de conductivité, par exemple, le type N, en particulier avec du silicium. La hauteur de la couche conductrice 42, mesurée suivant l’axe C, peut être comprise entre 10 nm et 1 µm, par exemple comprise entre 20 nm et 200 nm. La région active 44 peut comprendre un seul ou une pluralité de puits quantiques, par exemple en InGaN. La région active 44 peut comprendre un seul puis quantique qui s’étend de manière continue suivant l’axe C entre les couches semi-conductrices 42, 50. En variante elle peut comprendre de multiples puits quantiques et elle est alors constituée d’une alternance, suivant l’axe C, de puits quantiques 56 par exemple en InGaN, et de couches barrières 54, par exemple en GaN, trois couches de GaN 54 et deux couches de InGaN 56 étant représentées à titre d’exemple en figure 1. Les couches de GaN 54 peuvent être dopées, par exemple, de type N ou P, ou non dopées. L’épaisseur de la région active 44, mesurée suivant l’axe C, peut être comprise entre 2 nm et 100 nm. La couche conductrice 50 peut être en GaN et être dopée avec le deuxième type de conductivité opposé au premier type, par exemple le type P, en particulier avec du magnésium. L’épaisseur de la couche semi-conductrice 50 peut être comprise entre 20 nm et 100 nm. Lorsqu’une couche de blocage d’électrons 48 est présente, elle peut-être en un composé III-N ternaire, par exemple, AlGaN ou AlInN, avantageusement dopé de type P. Cela permet d’augmenter le taux de combinaison radiative dans la région active 44. L’épaisseur de la couche de blocage d’électrons 48 peut être comprise entre 10 nm et 50 nm. La couche de blocage d’électrons 48 peut correspondre à un super-réseau de couches d’InAlGaN et de GaN, chaque couche ayant par exemple une épaisseur de 2 nm.
Lorsque les fils 34 ont la polarité du type de l’élément du groupe III, la partie supérieure 35 de chaque fil 34 peut comprendre seulement des plans semi-polaires. Lorsque les fils 34 ont la polarité du type de l’élément du groupe V, la partie supérieure 35 de chaque fil 34 peut comprendre seulement un plan c. Toutefois, des traitements peuvent être prévus après la croissance des fils 34 afin que, même lorsque les fils 34 ont la polarité du type de l’élément du groupe III, la partie supérieure 35 de chaque fil 34 ait seulement un plan c ou une combinaison d’un plan c et de plans semi-polaires. La surface supérieure 43 de la couche semi-conductrice 42 correspond sensiblement à seulement à un plan c. Les couches 54, 56 de la région active 44 peuvent comprendre sensiblement seulement des plans c, à la fois des plans polaires et des plans semi-polaires, ou seulement des plans semi-polaires.
On dit que la diode électroluminescente est dans une configuration axiale puisque la région active 44 revêt essentiellement une surface de la couche semi-conductrice 42 sensiblement orthogonale à l’axe C et s’étend suivant l’axe C. En outre, l’empilement semi-conducteur 46 revêt essentiellement une surface supérieure de la région active 44 et s’étend suivant l’axe C.
Des diodes électroluminescentes tridimensionnelles dans une configuration axiale ont une surface d’émission inférieure à celle de diodes électroluminescentes dans une configuration radiale, mais ont l’avantage d’être en matériau semi-conducteur de meilleure qualité cristalline, assurant ainsi une efficacité quantique interne supérieure, en particulier en raison d’une meilleure relaxation des contraintes au niveau des interfaces entre les couches semi-conductrices. Dans le cas de puits quantiques en InGaN, des diodes électroluminescentes tridimensionnelles dans une configuration axiale permettent ainsi d’incorporer plus d’indium, pour émettre, par exemple, dans le rouge ou dans le vert.
Le substrat 14 peut correspondre à une structure monobloc ou correspondre à une couche recouvrant un support fait d’un autre matériau. Le substrat 14 est de préférence un substrat semi-conducteur, par exemple, un substrat en silicium, en germanium, en carbure de silicium, en un composé III-V, comme du GaN ou du GaAs, ou un substrat en ZnO, ou un substrat conducteur, par exemple, un substrat en un métal ou un alliage métallique, en particulier en cuivre, en titane, en molybdène, en un alliage à base de nickel et en acier. De préférence, le substrat 14 est un substrat en silicium d’un seul cristal. De préférence, c’est un substrat semi-conducteur compatible avec des procédés de fabrication mis en œuvre en micro-électronique. Le substrat 14 peut correspondre à une structure multicouche de type silicium sur isolant, appelée aussi SOI. Le substrat 14 peut être fortement dopé, légèrement dopé ou non dopé.
Les couches germes 22, 24 sont en un matériau qui favorise la croissance des fils 34. Le matériau formant chaque couche germe 22, 24 peut être un métal, un oxyde métallique, un nitrure, un carbure, ou un borure d’un métal de transition des colonnes IV, V ou VI du tableau périodique des éléments ou une combinaison de ces composés et de préférence un nitrure d’un métal de transition de la colonne IV, V ou VI du tableau périodique des éléments ou une combinaison de ces composés. À titre d’exemple, chaque couche germe 22, 24 peut être en nitrure d’aluminium (AlN), en oxyde d’aluminium (Al2O3), en bore (B), en nitrure de bore (BN), en titane (Ti), en nitrure de titane (TiN), en tantale (Ta), en nitrure de tantale (TaN), en hafnium (Hf), en nitrure d’hafnium (HfN), en niobium (Nb), en nitrure de niobium (NbN), en zirconium (Zr), en borate de zirconium (ZrB2), en nitrure de zirconium (ZrN), en carbure de silicium (SiC), en nitrure tantalique de carbone (TaCN), en nitrure de magnésium sous forme MgxNy, où x est approximativement égal à 3 et y est approximativement égal à 2, par exemple, en nitrure de magnésium de forme Mg3N2. Chaque couche germe 22, 24 a, par exemple, une épaisseur comprise entre 1 nm et 100 nm, de préférence comprise entre 10 nm et 30 nm.
La couche d’électrode 40 est une couche conductrice pouvant polariser les régions actives des têtes 36 et pouvant donner naissance au rayonnement électromagnétique émis par les diodes électroluminescentes. Le matériau formant la couche conductrice 40 peut-être un matériau conducteur transparent comme du graphène ou un oxyde conducteur transparent (TCO), en particulier de l’oxyde d’indium étain (ITO), de l’oxyde de zinc dopé ou non avec de l’aluminium, ou avec du gallium ou avec du bore. À titre d’exemple, la couche conductrice 40 a une épaisseur comprise entre 20 nm et 500 nm, de préférence entre 20 nm et 100 nm.
Chacune des couches isolantes 28, 30, 38 est en un matériau choisi dans le groupe comprenant l’oxyde de silicium (SiO2), le nitrure de silicium (SixNy, où x est approximativement égal à 3 et y est approximativement égal à 4, par exemple, Si3N4), l’oxynitrure de silicium (en particulier de formule générale SiOxNy, par exemple, Si2ON2), l’oxyde d’hafnium (HfO2), ou l’oxyde d’aluminium (Al2O3). Selon un mode de réalisation, la couche isolante 28 est en oxyde de silicium et la couche isolante 30 est en nitrure de silicium. L’épaisseur de chaque couche isolante 28, 30 est comprise entre 10 nm et 100 nm, de préférence entre 20 nm et 60 nm, en particulier égale à approximativement 40 nm. La couche isolante 38 peut avoir une épaisseur maximum comprise entre 100 nm et 5 µm.
Les figures 2 à 7 sont des vues en coupe simplifiées partielles des structures obtenues à des étapes successives d’un mode de réalisation d’un procédé de fabrication du dispositif optoélectronique 10 représenté en figure 1.
La figure 2 représente la structure obtenue après les étapes consistant à :
former sur le substrat 14 l’empilement 20 de couches germes 22, 24 ;
former, sur l’empilement 20, un empilement 26 de couches isolantes 28, 30 ; et
former des ouvertures 32 dans les couches isolantes 28 et 30 pour exposer des portions de la couche germe 24 aux emplacements souhaités pour les fils 34, le diamètre des ouvertures 32 correspondant sensiblement au diamètre des fils 34.
Chaque couche germe 22, 24 et chaque couche isolante 28, 30 peut être déposée à titre d’exemple par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), dépôt chimique en phase vapeur à faible pression (LPCVD), dépôt chimique en phase vapeur sous-atmosphérique (SACVD), CVD, dépôt de vapeur physique (PVD), ou dépôt de couche atomique (ALD).
La figure 3 représente la structure obtenue après l’étape consistant à faire croître simultanément des fils 34 à partir de la couche germe 24 dans les ouvertures 32. Selon un mode de réalisation, le procédé de croissance des fils 34 est un dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD), connu aussi sous le nom d’épitaxie en phase vapeur métallo-organique (MOVPE). Les conditions de croissance dans le réacteur sont adaptées pour favoriser la croissance préférentielle de chaque fil 34 suivant son axe C. Cela signifie que la vitesse de croissance d’un fil 34 suivant l’axe C est beaucoup plus grande, de préférence d’au moins un ordre de grandeur, que la vitesse de croissance d’un fil 34 selon une direction perpendiculaire à l’axe C. Dans un exemple, le procédé peut comprendre l’injection dans un réacteur d’un précurseur d’un élément du groupe III et d’un précurseur d’un élément du groupe V. Des exemples de précurseurs d’éléments du groupe III sont le triméthylgallium (TMGa), le triéthylgallium (TEGa), le triméthylindium (TMIn) ou le triméthylaluminium (TMAl). Des exemples de précurseurs d’éléments du groupe V sont l’ammoniac (NH3), le tributylphosphate (TBP), l’arsane (AsH3), ou la diméthylhydrazine (UDMH). Certains des gaz précurseurs peuvent être produits en utilisant un barboteur et un gaz porteur.
Selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur est comprise entre 900 °C et 1065 °C, de préférence comprise entre 1000 °C et 1065 °C, en particulier 1050 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 50 Torr (environ 6,7 kPa) et 200 Torr (environ 26,7 kPa), en particulier 100 Torr (environ 13,3 kPa). Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe III, par exemple TEGa, est compris entre 500 sccm et 2500 sccm, en particulier 1155 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe V, par exemple NH3, est compris entre 65 sccm et 260 sccm, en particulier 130 sccm. Selon un mode de réalisation, le rapport entre le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe V injecté dans le réacteur et le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe III injecté dans le réacteur, appelé rapport V/III, est compris entre 5 et 15. Les gaz porteurs peuvent inclure N2et H2. Selon un mode de réalisation, le pourcentage d’hydrogène injecté dans le réacteur est compris entre 3 % et 15 % en poids, en particulier 5 % en poids, par rapport à la masse totale des gaz porteurs. La vitesse de croissance obtenue du fil 34 peut être comprise entre 1 µm/h et 15 µm/h, en particulier 5 µm/h.
Un précurseur pour le dopant peut être injecté dans le réacteur. Par exemple, lorsque le dopant est Si, le précurseur peut être le silane (SiH4). Le débit du précurseur peut être choisi pour viser une concentration moyenne en dopant comprise entre 5*1018et 5*1019atomes/cm3, en particulier 1019atomes/cm3.
Après cette étape, lorsque les fils 34 ont la polarité du type de l’élément du groupe III, la partie supérieure 35 de chaque fil 34 peut comprendre seulement des plans semi-polaires. Lorsque les fils 34 ont la polarité du type de l’élément du groupe V, la partie supérieure 35 de chaque fil 34 peut comprendre seulement un plan c. Toutefois, des traitements peuvent être prévus après la croissance des fils 34 de manière à ce que, même lorsque les fils 34 ont la polarité du type de l’élément du groupe III, la partie supérieure 35 de chaque fil 34 ait seulement un plan c ou une combinaison d’un plan c et de plans semi-polaires.
La figure 4 représente la structure obtenue après l’étape de croissance, pour chaque fil 34, de la couche semi-conductrice 42 sur la partie supérieure 35 du fil 34. Selon un mode de réalisation, on fait croître les couches semi-conductrices 42 par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à distance (RPCVD). Les étapes de MOCVD et de RPCVD peuvent être réalisées dans des réacteurs différents ou dans le même réacteur. Les paramètres de croissance sont choisis de telle sorte que la couche semi-conductrice 42 comprenne une surface supérieure 43 correspondant seulement à un plan c.
Selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur est comprise entre 600 °C et 750 °C, en particulier 710 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3 Torr (environ 400 Pa) et 10 Torr (environ 1333 Pa), de préférence inférieure à 5 Torr (environ 667 Pa), en particulier 4,5 Torr (environ 600 Pa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 5400 W. Le débit de H2pour le plasma peut être approximativement égal à 2100 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe III, par exemple TEGa, est compris entre 140 sccm et 200 sccm, en particulier 160 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du gaz porteur, par exemple H2, pour le précurseur de l’élément du groupe III est compris entre 3400 sccm et 3600 sccm, en particulier 3500 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe V, par exemple NH3, est compris entre 100 sccm et 300 sccm, en particulier 200 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du gaz porteur, par exemple H2, pour le précurseur de l’élément du groupe V est compris entre 900 sccm et 1100 sccm, en particulier 1000 sccm. La vitesse de croissance obtenue pour le fil 34 peut être comprise entre 0,1 nm/s et 0,15 nm/s, en particulier 0,1 nm/s.
Un précurseur pour le dopant peut être injecté dans le réacteur. Par exemple, lorsque le dopant est Si, le précurseur peut être le silane (SiH4). Le débit du précurseur peut être choisi pour viser une concentration moyenne en dopant comprise entre 5*1018et 2*1019atomes/cm3, en particulier 1019atomes/cm3.
Dans un autre mode de réalisation, on fait croître les couches semi-conductrices 42 par MBE sur chaque fil 34. Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de la couche intermédiaire, la température dans le réacteur est comprise entre 800 °C et 900 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3*10-8Torr (environ 4*10-3mPa) et 8*10-6Torr (environ 1 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 360 W. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément du groupe III, par exemple Ga, est comprise entre 900 °C et 1000 °C, en particulier 850 °C. Selon un mode de réalisation, le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe V, par exemple N2, est compris entre 0,75 sccm et 2,25 sccm, en particulier 1,5 sccm.
La figure 5 représente la structure obtenue après l’étape consistant à faire croître simultanément la région active 44 pour chaque fil 34. Selon un mode de réalisation, on fait croître chaque couche de la région active 44 par RPCVD. La formation d’une couche de la région active 44 peut comprendre, en plus de l’injection dans le réacteur d’un précurseur d’un élément du groupe III et d’un précurseur d’un élément du groupe V, un précurseur d’un élément additionnel, en particulier de l’indium. La vitesse d’incorporation de l’élément additionnel dans la région active 44 dépend particulièrement des dimensions latérales des régions actives 44, de la distance entre les fils 34, et de la hauteur des régions actives 44 par rapport à la surface supérieure de la couche diélectrique 30.
Les paramètres de croissance sont choisis de manière à favoriser une croissance de la couche barrière 54 de la région active 44 avec sensiblement seulement une orientation de plan c, comme cela est représenté en figure 5. Dans ce cas, les paramètres de croissance pour chaque couche barrière 54 peuvent être les mêmes que les paramètres décrits pour la croissance de la couche semi-conductrice 42.
Les paramètres de croissance peuvent être choisis de manière à favoriser une croissance de la couche barrière 54 de la région active 44 avec seulement des plans semi-polaires. Dans ce cas, selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur est comprise entre 700 °C et 800 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3 Torr (environ 400 Pa) et 10 Torr (environ 1333 Pa), de préférence supérieure à 5 Torr (environ 667 Pa), en particulier 5,5 Torr (environ 733 Pa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 5400 W. Le débit de H2pour le plasma peut être égal à environ 2100 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe III, par exemple TEGa, est compris entre 50 sccm et 80 sccm, en particulier 70 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit d’un premier gaz porteur, par exemple H2, pour le précurseur de l’élément du groupe III est compris entre 900 sccm et 1100 sccm, en particulier 1000 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit d’un deuxième gaz porteur, par exemple N2, pour le précurseur de l’élément du groupe III est compris entre 600 sccm et 800 sccm, en particulier 700 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe V, par exemple NH3, est compris entre 500 sccm et 700 sccm, en particulier 600 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit d’un gaz porteur, par exemple N2, pour le précurseur de l’élément du groupe V est compris entre 400 sccm et 600 sccm, en particulier 500 sccm.
Les paramètres de croissance peuvent être choisis de manière à favoriser la croissance de la couche barrière 54 de la région active 44 avec à la fois des plans semi-polaires et des plans c. Les paramètres de croissance sont alors compris entre ceux décrits précédemment pour la croissance avec sensiblement seulement une orientation de plan c et ceux décrit précédemment pour la croissance avec seulement des plans semi-polaires.
Les paramètres de croissance peuvent être choisis de manière à favoriser une croissance de chaque couche de puits 56 de la région active 44 avec seulement une orientation de plan c. Dans ce cas, selon un mode de réalisation, la température dans le réacteur est comprise entre 650 °C et 700 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3 Torr (environ 400 Pa) et 10 Torr (environ 1333 Pa), de préférence supérieure à 5 Torr (environ 667 Pa), en particulier 5,5 Torr. Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 5400 W. Le débit de H2pour le plasma peut être égal à environ 2100 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe III, par exemple TEGa, est compris entre 20 sccm et 40 sccm, en particulier 30 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit d’un gaz porteur, par exemple N2, pour le précurseur de l’élément du groupe III est compris entre 1500 sccm et 1800 sccm, en particulier 1690 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit du précurseur de l’élément du groupe V, par exemple NH3, est compris entre 500 sccm et 700 sccm, en particulier 600 sccm. Selon un mode de réalisation, le débit d’un gaz porteur, par exemple N2, pour le précurseur de l’élément du groupe V est compris entre 400 sccm et 600 sccm, en particulier 500 sccm.
Selon un autre mode de réalisation, on fait croître chaque couche de la région active 44 par épitaxie par jet moléculaire (MBE). Dans un mode de réalisation, les étapes MOCVD et MBE sont réalisées dans des réacteurs différents. Dans un mode de réalisation, le procédé peut utiliser pour l’étape MBE un précurseur à source solide / gazeux pour l’élément du groupe III et pour l’élément du groupe V. Selon un mode de réalisation, une source solide peut être utilisée lorsque l’élément du groupe III est Ga et un précurseur gazeux ou plasma peut être utilisé lorsque l’élément du groupe V est N. Selon un mode de réalisation, un jet d’azote activé est fourni par une source de plasma DC. Dans cette source, des molécules d’azote neutres excitées sont formées dans une région exempte de champ électrique et sont accélérées vers le substrat par le gradient de pression avec la chambre à vide.
La formation de certaines couches de la région active 44, en particulier les puits quantiques 56, peut comprendre l’injection dans le réacteur d’un précurseur solide/gazeux d’un élément additionnel. Selon un mode de réalisation, on peut utiliser une source solide lorsque l’élément additionnel du groupe III est In. La vitesse d’incorporation de l’élément additionnel dans la région active 44 dépend particulièrement des dimensions latérales des régions actives 44, de la distance entre les fils 34, de la hauteur des régions actives 44 par rapport à la surface supérieure de la couche diélectrique 30.
Un dopant peut être injecté dans le réacteur. Par exemple, lorsque le dopant est Si, on peut utiliser une source solide. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément dopant est comprise entre 1000 °C et 1100 °C.
Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de chaque couche barrière 54, la température dans le réacteur est comprise entre 570 °C et 640 °C, en particulier 620 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3*10-8Torr (environ 4 *10-3mPa) et 8*10-6Torr (environ 1 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 360 W. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément du groupe III, par exemple Ga, est comprise entre 850 °C et 950 °C, en particulier 895 °C. Selon un mode de réalisation, le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe V, par exemple N2, est compris entre 0,75 sccm et 2,25 sccm, en particulier 1,5 sccm.
Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de chaque couche de puits 56, la température dans le réacteur est comprise entre 570 °C et 640 °C, en particulier 620 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3*10-8Torr (environ 4*10-3mPa) et 8*10-6Torr (environ un 1 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 360 W. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément du groupe III, par exemple Ga, est comprise entre 850 °C et 950 °C, en particulier 895 °C. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément supplémentaire, par exemple In, est comprise entre 750 °C et 850 °C, en particulier 790 °C. Selon un mode de réalisation, le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe V, par exemple N2, est compris entre 0,75 sccm et 2,25 sccm, en particulier 1,5 sccm.
La figure 6 représente la structure obtenue après l’étape de croissance simultanée de l’empilement semi-conducteur 46 pour chaque fil 34. Selon un mode de réalisation, on fait croître chaque couche de l’empilement semi-conducteur 46 par MBE. En particulier, on fait croître la couche semi-conductrice 50 avec sensiblement seulement une orientation de plan c. Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de la couche de blocage d’électrons 48, la température dans le réacteur est comprise entre 750 °C et 850 °C, en particulier 800 °C. Selon un mode de réalisation, la pression dans le réacteur est comprise entre 3*10-8Torr (environ 4*10-3mPa) et 8*10-6Torr (environ 1 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF de 360 W. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément du groupe III, par exemple Ga, est comprise entre 850 °C et 950 °C, en particulier 905 °C. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément supplémentaire, par exemple Al, est comprise entre 1000 °C et 1100 °C, en particulier 1010 °C. Selon un mode de réalisation, le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe V, par exemple N2, est compris entre 0,75 sccm et 2,25 sccm, en particulier 1,5 sccm. Un dopant peut être injecté dans le réacteur. Par exemple, lorsque le dopant est Mg, on peut utiliser une source solide. Selon un mode de réalisation, la température de la source solide de l’élément dopant est comprise entre 150 °C et 250 °C, en particulier 190 °C.
Selon un mode de réalisation, on fait croître chaque couche de l’empilement semi-conducteur 46 par RPCVD.
La figure 7 représente la structure obtenue après les étapes de formation de la couche isolante 38 et de gravure ou d’amincissement de la couche isolante 38 sur une partie de son épaisseur pour exposer les parties supérieures des têtes 36. La couche isolante 38 peut être formée par dépôt conforme, par exemple, par LPCVD ou PECVD. Une gravure partielle de la couche isolante 38 peut être réalisée par planarisation mécano-chimique (CMP) et le reste de la gravure peut être réalisée par gravure ionique réactive (RIE). Les têtes 36 ne sont pas gravées dans cette étape.
Les étapes finales du mode de réalisation du procédé de fabrication comprennent la formation de la couche d’électrode 40, par exemple, par pulvérisation cathodique, en contact avec les portions exposées des têtes 36 et sur la couche isolante 38.
On peut réaliser des expériences pour illustrer la remise en forme des barrières quantiques de la région active. Des premier et deuxième dispositifs optoélectroniques ayant la structure représentée en figure 1 ont été fabriqués selon le procédé décrit précédemment en relation avec les figures 2 à 7. Pour les premier et deuxième dispositifs électroniques, les régions actives 44 comprenaient 5 couches InGaN 56, la première couche InGaN 56 étant la couche InGaN la plus proche du fil 34. Pour les premier et deuxième dispositifs optoélectroniques, les procédés de fabrication étaient identiques excepté pour les étapes relatives à la fabrication des régions actives 44. Pour les premier et deuxième dispositifs optoélectroniques, le fil 34 en GaN dopé N était fabriqué par MOCVD avec les paramètres indiqués précédemment. Pour les premier et deuxième dispositifs optoélectroniques, la couche de GaN dopée N 32 était fabriquée par RPCVD avec les paramètres indiqués précédemment.
La figure 8 représente, sur le côté gauche, une image en coupe obtenue par microscopie électronique en transmission d’une tête 36 et du fil 34 associé du premier dispositif optoélectronique, et, sur le côté droit, une vue en coupe simplifiée représentant les contours des régions de l’image en coupe. Pour le premier dispositif optoélectronique, les couches GaN 54 et les couches InGaN 56 ont été fabriquées en favorisant la croissance de plans c et d’un plan semi-polaire. Chaque couche InGaN 56 comprend une partie centrale 60 de croissance sur un plan c, correspondant sensiblement à un cylindre, et une partie périphérique 62 de croissance sur un plan semi-polaire. Le diamètre de la partie centrale 60, l’épaisseur de la partie centrale 60 et la concentration en indium dans les couches InGaN 56 dans la partie centrale 60 ont été mesurés. Les résultats sont donnés dans le tableau I ci-dessous :
Couche InGaN (à partir du fil 34) Diamètre de la partie centrale
(nm)		 Épaisseur de la partie centrale
(nm)		 Concentration en indium
(% atomique)
1 180 4 15,5
2 125 6 17,5
3 50 14 27
Dans cette expérience, les paramètres de croissance qui favorisent la croissance avec à la fois un plan polaire et des plans semi-polaires sont maintenus pendant toute la durée de la croissance de la région active 44. Cela provoque une diminution du diamètre de la partie de plan c centrale des couches InGaN 56 à partir de la couche semi-conductrice 52 jusqu’à la couche semi-conductrice 50.
La figure 9 représente, sur le côté gauche, une image en coupe obtenue par microscopie électronique en transmission d’une tête 36 et du fil 34 associé du deuxième dispositif optoélectronique et, sur le côté droit, une vue en coupe simplifiée représentant les contours des régions de l’image en coupe. Pour le premier dispositif optoélectronique, les couches GaN 54 et les couches InGaN 56 ont été fabriquées avec les paramètres de croissance qui favorisent la croissance de seulement des plans c. Chaque couche InGaN 56 comprend la partie centrale 60 de croissance sur un plan c, correspondant sensiblement à un cylindre, et sensiblement aucune partie périphérique 62 de croissance sur un plan semi-polaire. Pour chaque couche InGaN 56, le diamètre de la partie centrale 60 était d’environ 180 nm, l’épaisseur de la partie centrale 60 était d’environ 4 nm et la concentration en indium dans la partie centrale 60 était d’environ 15,5 en pourcentage atomique.
Dans l’expérience illustrée en figure 8, des couches de puits quantiques 56 ayant des plans c et des plans semi-polaires sont fabriquées. Dans l’expérience illustrée en figure 9, des couches de puits quantiques 56 ayant principalement seulement des plans c sont fabriquées. La formation de la région active par RPCVD, MBE ou HVPE permet avantageusement de mettre en forme avec précision la surface sur laquelle chaque puits quantique est formé.
Le dispositif électronique décrit précédemment peut être un dispositif optoélectronique capable d’afficher des images, en particulier un écran d’affichage ou un dispositif de projection d’images.
Un pixel d’une image correspond à une unité élémentaire de l’image affichée ou capturée par le dispositif électronique. Pour l’affichage d’images en couleur, le dispositif optoélectronique comprend en général, pour l’affichage de chaque pixel de l’image, au moins trois composants, appelées aussi sous-pixels d’affichage, dont chacun émet un rayonnement lumineux sensiblement d’une seule couleur (par exemple rouge, vert et bleu). La superposition des rayonnements émis par les trois sous-pixels d’affichage donne à l’observateur la sensation en couleur correspondant au pixel de l’image affichée. Dans ce cas, l’assemblage formé par les trois sous-pixels d’affichage utilisés pour afficher un pixel d’une image est appelé pixel d’affichage du dispositif optoélectronique.
Les figures 10 et 11 représentent des vues en coupe de modes de réalisation d’un dispositif optoélectronique 70 pour un pixel d’affichage Pix. Le dispositif optoélectronique 70 comprend les mêmes éléments que le dispositif optoélectronique 10 excepté qu’il comprend en outre, pour chaque pixel d’affichage Pix, au moins un fil 72 ayant un diamètre plus gros que le diamètre du fil 34 et au moins un fil 74 ayant un diamètre plus gros que le diamètre du fil 72, une tête 76 au niveau d’une extrémité du fil 72 et une tête 78 au niveau d’une extrémité du fil 74. Les têtes 76, 78 ont la même structure générale que celle décrite précédemment pour la tête 36. Le dispositif optoélectronique 70 peut comprendre, pour chaque pixel d’affichage Pix, trois électrodes séparées, non représentées, en contact avec les têtes 36, 76, 78.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel d’affichage Pix comprend au moins deux types de diodes électroluminescentes. Selon un mode de réalisation, la diode électroluminescente du premier type, par exemple comprenant le fil 34 et la tête 36, peut émettre un premier rayonnement à une première longueur d’onde et la diode électroluminescente du deuxième type, par exemple comprenant le fil 72 et la tête 76, peut émettre un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d’onde. Selon un mode de réalisation, chaque pixel d’affichage Pix comprend au moins trois types de diodes électroluminescentes, la diode électroluminescente du troisième type, par exemple comprenant le fil 74 et la tête 78 pouvant émettre un troisième rayonnement à une troisième longueur d’onde. Les première, deuxième et troisième longueurs d’onde peuvent être différentes. Pour chaque pixel d’affichage, les diodes électroluminescentes élémentaires ayant des fils du même diamètre peuvent avoir une électrode commune.
Selon un mode de réalisation, particulièrement dans le cas où la face 43 de la couche semi-conductrice 42 correspond à un plan c cristallographique seulement, la longueur d’onde du rayonnement émis par la région active 44 augmente lorsque le diamètre du fil 34, 72, 74, sur lequel repose la région active 44, diminue. Selon un mode de réalisation, la troisième longueur d’onde correspond à de la lumière bleue et est comprise entre 430 nm et 490 nm. Selon un mode de réalisation, la deuxième longueur d’onde correspond à de la lumière verte et est comprise entre 510 nm et 570 nm. Selon un mode de réalisation, la première longueur d’onde correspond à de la lumière rouge et est comprise entre 600 nm et 720 nm. Cela est surprenant dans la mesure où il est généralement décrit que, lorsque la région active croit sur des plans cristallographiques semi-polaires, la longueur d’onde du rayonnement émis par la région active augmente lorsque le diamètre du fil, sur lequel repose la région active, augmente.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel d’affichage Pix comprend une diode électroluminescente d’un quatrième type, la diode électroluminescente du quatrième type pouvant émettre un quatrième rayonnement à une quatrième longueur d’onde. Les première, deuxième, troisième et quatrième longueurs d’onde peuvent être différentes. Selon un mode de réalisation, la quatrième longueur d’onde correspond à de la lumière jaune et est comprise entre 570 nm et 600 nm.
En figure 10, les fils 34, 72, 74 ont des hauteurs différentes. Cela peut être obtenu en mettant en œuvre le mode de réalisation du procédé pour fabriquer le dispositif optoélectronique précédemment décrit en relation avec les figures 2 à 7. En effet, lorsque l’on fait croître les fils 34, 72, 74 simultanément, la hauteur finale de fils ayant un diamètre plus petit est plus grande que la hauteur finale de fils ayant un diamètre plus gros.
En figure 11, les fils 34, 72, 74 ont la même hauteur. Cela peut être obtenu en mettant en œuvre le mode de réalisation du procédé de fabrication du dispositif électronique, décrit précédemment en relation avec les figures 2 à 7, en ajoutant après l’étape de croissance simultanée des fils, décrite précédemment en relation avec la figure 3, une étape de gravure des fils jusqu’à la même hauteur avant de former les têtes 36, 76, 78.
Divers modes de réalisation et diverses variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certains éléments de ces modes de réalisation peuvent être combinés et d’autres variantes apparaîtront facilement à l’homme de l’art. En particulier, des structures semi-conductrices tridimensionnelles capables d’émettre un rayonnement lumineux à partir d’un signal électrique, formant ainsi des diodes électroluminescentes, ont été décrites. En variante, les structures peuvent être capables de détecter un rayonnement lumineux incident et de générer en réponse un signal électrique, formant ainsi une photodiode. Les applications peuvent concerner les domaines de l’optoélectronique et du photovoltaïque.
Finalement, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et des variantes qui ont été décrits ici est dans les capacités de l’homme de l’art sur la base de la description fonctionnelle fournie ici.

Claims (17)

  1. Procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique (10 ; 70) comprenant la formation, par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique, MOCVD, d’éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques (34) en un composé III-V, dopé ou non dopé, chaque élément semi-conducteur s’étendant suivant un axe (C) et comprenant un sommet (35), et la formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à distance, RPCVD, ou par épitaxie par jets moléculaires, MBE, ou par épitaxie en phase vapeur hybride, HVPE, pour chaque élément semi-conducteur, d’une région active (44) seulement sur ledit un sommet comprenant au moins une première couche semi-conductrice composée du composé III-V et une deuxième couche semi-conductrice composée du composé III-V et d’un élément du groupe III additionnel.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque région active (44) comprend au moins un puits quantique (56) formé sur une barrière quantique (54), et dans lequel les conditions de croissance de la barrière quantique sont sélectionnées de manière à favoriser la formation d’une surface supérieure de la barrière quantique ayant un plan c avec un diamètre moyen souhaité.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant la formation, parmi les éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques (34), de premiers éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques (34) ayant un premier diamètre moyen, et de deuxièmes éléments semi-conducteurs en forme de fils, coniques, ou tronconiques (72, 74) ayant un deuxième diamètre moyen supérieur au premier diamètre moyen, les régions actives (44) sur le sommet des premiers éléments semi-conducteurs émettant un premier rayonnement à une première longueur d’onde et les régions actives (44) sur le sommet des deuxièmes éléments semi-conducteurs émettant un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d’onde différente de la première longueur d’onde.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape MOCVD est réalisée à une température comprise entre 900 °C et 1065 °C et l’étape de formation des régions actives (44) est réalisée à une température comprise entre 570 °C et 800 °C.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel un gaz précurseur de l’élément du groupe V et un gaz précurseur de l’élément du groupe III sont injectés dans le premier réacteur pendant l’étape MOCVD et dans lequel le rapport entre le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe V et le débit du gaz précurseur de l’élément du groupe III, appelé rapport V/III, est compris entre 5 et 1000.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape MOCVD est réalisée à une pression comprise entre 6,7 kPa et 26,7 kPa.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape de formation des régions actives (44) est une étape RPCVD réalisée à une pression comprise entre 400 Pa et 1333 Pa.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape de formation des régions actives (44) est une étape MBE réalisée à une pression comprise entre 4*10-3mPa et 8*10-6mPa.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant, avant la formation des régions actives (44), la formation par RPCVD, MBE ou HVPE, pour chaque élément semi-conducteur (34), d’une première couche semi-conductrice (42) du composé III-V sur ledit sommet.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’étape MBE de formation des premières couches semi-conductrices (42) est réalisée à une température comprise entre 800 °C et 900 °C.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant, après la formation des régions actives (44), la formation par RPCVD, MBE ou HVPE, pour chaque élément semi-conducteur (34), d’une deuxième couche semi-conductrice (50) sur la région active du composé III-V.
  12. Procédé selon la revendication 11, comprenant, après la formation des régions actives (44) et avant la formation des deuxièmes couches semi-conductrices (42), la formation par RPCVD, MBE ou HVPE, pour chaque élément semi-conducteur (34), d’une couche de blocage d’électrons (48) de la région active.
  13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel les régions actives (44) sont les régions à partir desquelles est émise la plus grande partie du rayonnement fourni par le dispositif optoélectronique (10 ; 70), ou dans lesquelles est capturée la plus grande partie du rayonnement reçu par le dispositif optoélectronique.
  14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le composé III-V est un composé III-N, en particulier choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, le nitrure d’aluminium, le nitrure d’indium, le nitrure de gallium indium, le nitrure d’aluminium gallium, le nitrure d’aluminium indium, et le nitrure de gallium aluminium indium.
  15. Dispositif optoélectronique (10 ; 70) fabriqué par le procédé de fabrication des revendications 1 à 14.
  16. Dispositif selon la revendication 15, dans lequel les éléments semi-conducteurs comprennent au moins des premiers et deuxièmes éléments semi-conducteurs (34, 72), dans lequel les régions actives comprennent des premières régions actives (44) reposant sur les sommets des premiers éléments semi-conducteurs et agencées pour émettre ou pour recevoir un premier rayonnement électromagnétique à une première longueur d’onde, et des deuxièmes régions actives reposant sur sommets des deuxièmes éléments semi-conducteurs et agencées pour émettre ou pour recevoir un deuxième rayonnement électromagnétique à une deuxième longueur d’onde différente de la première longueur d’onde.
  17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel le diamètre de chaque premier élément semi-conducteur est inférieur au diamètre de chaque deuxième élément semi-conducteur, dans lequel les premières et deuxièmes régions actives (44) comprennent un seul puits quantique ou des puits quantiques multiples, et dans lequel la première longueur d’onde est supérieure à la deuxième longueur d’onde.
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