FR3114682A1 - Dispositif optoelectronique a diodes electroluminescentes a affichage couleur - Google Patents

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Abstract

DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A DIODES ELECTROLUMINESCENTES A AFFICHAGE COULEUR La présente description concerne un dispositif optoélectronique (10) comprenant des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes tridimensionnelles à configuration axiale. Chaque diode électroluminescente comprend un élément semiconducteur (20, 22, 24), et une région active reposant sur l'élément semiconducteur. Chaque élément semiconducteur correspond à un microfil, un nanofil, un élément conique ou tronconique de taille nanométrique ou micrométrique. Les premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont configurées pour émettre respectivement des premier, deuxième, et troisième rayonnements à des première, deuxième, et troisième longueurs d'onde. Les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ont respectivement des premier, deuxième, et troisième diamètres (D1, D2, D3). Le premier diamètre (D1) est inférieur au deuxième diamètre (D2) et le deuxième diamètre (D2) est inférieur au troisième diamètre (D3), la première longueur d'onde étant supérieure à la troisième longueur d'onde et la deuxième longueur d'onde étant supérieure à la première longueur d'onde. Figure pour l'abrégé : Fig. 1

Description

DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A DIODES ELECTROLUMINESCENTES A AFFICHAGE COULEUR
La présente invention concerne de façon générale les dispositifs optoélectroniques comprenant des éléments semiconducteurs tridimensionnels de type nanofils ou microfils, et leur procédé de fabrication, et plus particulièrement les dispositifs optoélectroniques adaptés à afficher des images, notamment un écran d'affichage ou un dispositif de projection d'images.
Un pixel d'une image correspond à l'élément unitaire de l'image affichée ou captée par le dispositif optoélectronique. Pour l'affichage d'images couleur, le dispositif optoélectronique comprend en général, pour l'affichage de chaque pixel de l'image, au moins trois composants, également appelés sous-pixels d'affichage, qui émettent chacun un rayonnement lumineux sensiblement dans une seule couleur (par exemple, le rouge, le vert et le bleu). La superposition des rayonnements émis par ces trois sous-pixels d'affichage fournit à l'observateur la sensation colorée correspondant au pixel de l'image affichée. Dans ce cas, on appelle pixel d'affichage du dispositif optoélectronique l'ensemble formé par les trois sous-pixels d'affichage utilisés pour l'affichage d'un pixel d'une image.
Il existe des dispositifs optoélectroniques comportant des éléments semiconducteurs tridimensionnels de type nanofils ou microfils à base de composés III-V permettant la réalisation de diodes électroluminescentes dites tridimensionnelles. Une diode électroluminescente comprend une région active qui est la région de la diode électroluminescente depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement électromagnétique fourni par la diode électroluminescente. Une diode électroluminescente tridimensionnelle peut être réalisée dans une configuration dite radiale, également appelée coeur/coquille, dans laquelle la région active est formée à la périphérie de l'élément semiconducteur tridimensionnel. Elle peut également être réalisée dans une configuration dite axiale, dans laquelle la région active ne recouvre pas la périphérie de l'élément semiconducteur tridimensionnel mais s’étend essentiellement suivant un axe longitudinal de croissance épitaxiale.
Les diodes électroluminescentes tridimensionnelles en configuration axiale ont une surface d’émission inférieure à celle des diodes électroluminescentes en configuration radiale, mais présentent l’avantage d’être réalisées en un matériau semiconducteur de meilleure qualité cristalline offrant ainsi un rendement quantique interne supérieur, du fait notamment d’une meilleure relaxation des contraintes aux interfaces entre les couches semiconductrices.
Il est connu de recouvrir une diode électroluminescente d'un matériau photoluminescent adapté à convertir le rayonnement électromagnétique émis par la zone active en un rayonnement électromagnétique à une longueur d'onde différente, notamment plus élevée. Toutefois, de tels matériaux photoluminescents peuvent présenter un coût élevé, avoir un rendement de conversion faible, et présenter des performances qui se dégradent dans le temps.
Il serait donc souhaitable de pouvoir réaliser un dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes configurées pour émettre directement des rayonnements dans trois couleurs différentes pour obtenir un affichage couleur sans utilisation de matériaux photoluminescents.
De plus, la mise au point industrielle du procédé de fabrication d'une région active d'une diode électroluminescente tridimensionnelle de type axial à base de composés III-V est une opération délicate. Il est connu de réaliser simultanément des diodes électroluminescentes émettant néanmoins des rayonnements dans des couleurs différentes en utilisant des éléments semiconducteurs de diamètres différents, les longueurs d'onde des rayonnements émis par les zones actives dépendant notamment des diamètres des éléments semiconducteurs et de la distance entre les éléments semiconducteurs, la longueur d'onde diminuant théoriquement avec le diamètre de l'élément semiconducteur. Toutefois, il peut être difficile de réaliser des diodes électroluminescentes émettant dans le bleu qui correspondraient à des éléments semiconducteurs de diamètre trop petit pour être compatible avec des procédés de fabrication à une échelle industrielle.
Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les inconvénients des dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes décrits précédemment.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que la zone active de chaque diode électroluminescente comprend un empilement de couches de matériaux semiconducteurs à base de composés III-V.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que le dispositif optoélectronique comprenne des diodes électroluminescentes configurées pour émettre des rayonnements lumineux dans trois couleurs différentes sans utilisation de matériaux photoluminescents.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que le dispositif optoélectronique comprenne des diodes électroluminescentes configurées pour émettre des rayonnements lumineux dans trois couleurs différentes et qui soient fabriquées simultanément.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif optoélectronique comprenant des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes tridimensionnelles à configuration axiale, chaque diode électroluminescente comprenant un élément semiconducteur et une région active reposant sur l'élément semiconducteur, chaque élément semiconducteur correspondant à un microfil, un nanofil, un élément conique de taille nanométrique ou micrométrique, ou un élément tronconique de taille nanométrique ou micrométrique, les premières diodes électroluminescentes étant configurées pour émettre un premier rayonnement à une première longueur d'onde, les éléments semiconducteurs des premières diodes électroluminescentes ayant un premier diamètre, les deuxièmes diodes électroluminescentes étant configurées pour émettre un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d'onde, les éléments semiconducteurs des deuxièmes diodes électroluminescentes ayant un deuxième diamètre, et les troisièmes diodes électroluminescentes étant configurées pour émettre un troisième rayonnement à une troisième longueur d'onde, les éléments semiconducteurs des troisièmes diodes électroluminescentes ayant un troisième diamètre, le premier diamètre étant inférieur strictement au deuxième diamètre et le deuxième diamètre étant inférieur strictement au troisième diamètre, la première longueur d'onde étant supérieure strictement à la troisième longueur d'onde et la deuxième longueur d'onde étant supérieure strictement à la première longueur d'onde.
Selon un mode de réalisation, le premier diamètre varie de 80 nm à 150 nm.
Selon un mode de réalisation, le deuxième diamètre varie de 200 nm à 350 nm.
Selon un mode de réalisation, le troisième diamètre varie de 370 nm à 500 nm.
Selon un mode de réalisation, la première longueur d’onde est comprise entre 510 nm et 570 nm.
Selon un mode de réalisation, la deuxième longueur d’onde est comprise entre 600 nm et 720 nm.
Selon un mode de réalisation, la troisième longueur d’onde est comprise entre 430 nm et 490 nm.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un premier circuit optoélectronique fixé à un deuxième circuit électronique, le deuxième circuit électronique comprenant des plots conducteurs électriquement, le premier circuit optoélectronique comprenant des pixels et comportant, pour chaque pixel :
- une première couche conductrice électriquement ;
- pour chacune des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes, ledit élément semiconducteur s'étendant perpendiculairement à la première couche conductrice électriquement et au contact de la première couche conductrice électriquement et la région active reposant sur l'extrémité de l'élément semiconducteur opposée à la première couche conductrice électriquement ; et
- des deuxième, troisième, quatrième, et cinquième couches conductrices électriquement reliées électriquement aux plots conducteurs électriquement, la deuxième couche conductrice électriquement étant reliée aux régions actives des premières diodes électroluminescentes, la troisième couche conductrice électriquement étant reliée aux régions actives des deuxièmes diodes électroluminescentes, la quatrième couche conductrice électriquement étant reliée aux régions actives des troisièmes diodes électroluminescentes, et la cinquième couche conductrice électriquement étant reliée à la première couche conductrice électriquement.
Selon un mode de réalisation, chaque région active comprend un puits quantique unique ou des puits quantiques multiples.
Selon un mode de réalisation, les éléments semiconducteurs et les régions actives sont en composés III-V.
Selon un mode de réalisation, les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont formés par MOCVD.
Selon un mode de réalisation, les régions actives des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont formées par MBE.
Selon un mode de réalisation, les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes reposent sur un substrat et sont au contact d'un matériau adapté à la croissance par épitaxie des éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes.
Selon un mode de réalisation, les premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes forment une structure monolithique.
Un mode de réalisation prévoit également un procédé de fabrication du dispositif optoélectronique tel que défini précédemment, comprenant les étapes successives suivantes :
- former simultanément les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ; et
- former simultanément les régions actives des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sur les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes successives suivantes :
- former simultanément sur un support les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes et former les régions actives des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sur les éléments semiconducteurs des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ;
- former une couche isolante électriquement entre les éléments semiconducteurs tridimensionnels des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ; et
- retirer le support.
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, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique à microfils ou nanofils ;
la figure 2 est une vue de détail d'une partie de la figure 1 ;
la figure 3 est une courbe d'évolution, obtenue par essais, de la longueur d'onde centrale de rayonnements émis par une diode électroluminescente axiale en fonction du diamètre de la diode électroluminescente ;
la figure 4 représente un diagramme de chromaticité illustrant le domaine de couleurs pouvant être obtenu avec le dispositif optoélectronique de la figure 1 ;
la figure 5 représente des courbes, obtenues par essais, d'évolution de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde du rayonnement émis par trois diodes électroluminescentes du dispositif optoélectronique de la figure 1 ;
la figure 6 est une vue en coupe, partielle et schématique, illustrant le fonctionnement du dispositif optoélectronique de la figure 1 ;
la figure 7A illustre une étape d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du dispositif optoélectronique représenté en figure 1 ;
la figure 7B illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7C illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7D illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7E illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7F illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7G illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7H illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7I illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7J illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7K illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7L illustre une autre étape du procédé ;
la figure 7M illustre une autre étape du procédé ; et
la figure 7N illustre une autre étape du procédé.
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. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les moyens pour commander les diodes électroluminescentes d'un dispositif optoélectronique sont bien connus et ne seront pas décrits.
Dans la description qui suit, 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 sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à un dispositif optoélectronique dans une position normale d'utilisation.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
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 "isolant électriquement" et l’expression "conducteur" signifie "conducteur électriquement". Dans la suite de la description, la transmittance interne d'une couche correspond au rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans la couche. L'absorption de la couche est égale à la différence entre 1 et la transmittance interne. Dans la suite de la description, une couche est dite transparente à un rayonnement lorsque l’absorption du rayonnement au travers de la couche est inférieure à 60 %. Dans la suite de la description, une couche est dite absorbante à un rayonnement lorsque l'absorption du rayonnement dans la couche est supérieure à 60 %. Lorsqu'un rayonnement présente un spectre de forme générale "en cloche", par exemple de forme gaussienne, ayant un maximum, on appelle longueur d'onde du rayonnement, ou longueur d'onde centrale ou principale du rayonnement, la longueur d'onde à laquelle le maximum du spectre est atteint. Dans la suite de la description, l'indice de réfraction d'un matériau correspond à l'indice de réfraction du matériau pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement émis par le dispositif optoélectronique. Sauf indication contraire, l'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de l'indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement émis par le dispositif optoélectronique.
La présente demande concerne particulièrement des dispositifs optoélectroniques comprenant des diodes électroluminescentes 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 oeuvre 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.
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. 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 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.
Il est connu que la proportion de l'élément du groupe III supplémentaire varie en fonction du diamètre des fils. Toutefois, les documents mentionnant jusqu'à présent une telle variation décrivent une augmentation de la proportion de l'élément du groupe III supplémentaire en fonction du diamètre des fils, et donc une augmentation de la longueur d'onde du rayonnement émis par une diode électroluminescente de type axial comprenant un tel fil.
Les inventeurs ont mis en évidence qu’on observe des première, deuxième, et troisième plages successives de diamètres avec une augmentation de la longueur d'onde du rayonnement émis par une diode électroluminescente quand le diamètre du fil augmente sur la première plage de diamètres, une diminution de la longueur d'onde du rayonnement émis par une diode électroluminescente quand le diamètre du fil augmente sur la deuxième plage de diamètres, et une stagnation de la longueur d'onde du rayonnement émis par une diode électroluminescente quand le diamètre du fil augmente sur la troisième plage de diamètres.
Ces résultats ont été avantageusement obtenus avec des fils formés par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD) et des régions actives typiquement formées par épitaxie par jets moléculaires (MBE).
Le procédé décrit précédemment peut être mis en oeuvre 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 oeuvre 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 moyen. Les régions actives formées sur les premiers, deuxièmes et troisièmes fils vont émettre des rayonnements à des longueurs d’onde différentes. En particulier, les premiers fils ayant un petit diamètre moyen vont émettre un rayonnement à une première longueur d'onde centrale, les deuxièmes fils ayant un diamètre moyen intermédiaire vont émettre un rayonnement à une deuxième longueur d'onde centrale, et les troisièmes fils ayant un diamètre moyen intermédiaire vont émettre un rayonnement à une troisième longueur d'onde centrale, la deuxième longueur d'onde étant supérieure à la première longueur d'onde et la troisième longueur d'onde étant inférieure à la première longueur d'onde. Un écran d’affichage en couleur peut alors être fabriqué.
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 MBE. La formation des fils par MOCVD permet avantageusement d’obtenir une croissance rapide des fils. Elle permet en outre d’obtenir aisément des fils de diamètres relevant de la courbe d’évolution diamètre/longueur d’onde mise en évidence selon la présente invention. Les procédés MBE 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 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 l'émission d'un rayonnement électromagnétique. Selon un mode de réalisation, il est prévu un dispositif optoélectronique 10 comprenant au moins deux circuits intégrés 12 et 14, également appelés puces. Le premier circuit intégré 12 comprend des diodes électroluminescentes. Le deuxième circuit intégré 14 comprend des composants électroniques, notamment des transistors, utilisés pour la commande des diodes électroluminescentes du premier circuit intégré 12. Le premier circuit intégré 12 est fixé au deuxième circuit intégré, par exemple par collage moléculaire ou par une liaison de type "Flip-Chip", notamment un procédé "Flip-Chip" par billes ou par microtubes. Le premier circuit intégré 12 est appelé circuit optoélectronique ou puce optoélectronique dans la suite de la description et le deuxième circuit intégré 14 est appelé circuit de commande ou puce de commande dans la suite de la description.
De préférence, la puce optoélectronique 12 comprend seulement des diodes électroluminescentes et des éléments de connexion de ces diodes électroluminescentes et la puce de commande 14 comprend la totalité des composants électroniques nécessaires à la commande des diodes électroluminescentes de la puce optoélectronique. A titre de variante, la puce optoélectronique 12 peut également comprendre d'autres composants électroniques en plus des diodes électroluminescentes.
La figure 1 représente, en partie gauche, les éléments de la puce optoélectronique 12 pour un pixel d'affichage, la structure étant répétée pour chaque pixel d'affichage, et en partie droite, des éléments adjacents aux pixels d'affichage et qui peuvent être communs à plusieurs pixels d'affichage.
La puce optoélectronique 12 comprend, du bas vers le haut en figure 1 :
- une couche isolante électriquement 16, au moins partiellement transparente aux rayonnements électromagnétiques émis par les diodes électroluminescentes et qui délimite une face 17 ;
- une couche conductrice électriquement 18, au moins partiellement transparente aux rayonnements électromagnétiques émis par les diodes électroluminescentes ;
- des premiers fils 20 (trois premiers fils étant représentés) de diamètre D1, des deuxièmes fils 22 (trois deuxièmes fils étant représentés) de diamètre D2, et des troisièmes fils 24 (trois deuxièmes fils étant représentés) de diamètre D3, les premiers, deuxièmes et troisièmes fils étant d'axes parallèles entre eux et perpendiculaires à la face 17, s'étendant depuis la couche conductrice 18 et au contact de la couche conductrice 18, le diamètre D1 étant inférieur au diamètre D2 et le diamètre D2 étant inférieur au diamètre D3 ;
- une première tête 26 à l'extrémité de chaque premier fil 20 opposée à la couche conductrice 18, une deuxième tête 28 à une extrémité de chaque deuxième fil 22 opposée à la couche conductrice 18 et une troisième tête 30 à une extrémité de chaque troisième fil 24 opposée à la couche conductrice 18 ;
- une couche isolante électriquement 32 d'un premier matériau isolant électriquement entre les fils 20, 22, 24 ayant une épaisseur sensiblement égale à la somme de la hauteur H, mesurée selon l'axe des fils, du fil 20, 22, 24 et de la tête 26, 28, 30 associée ;
- une couche isolante électriquement 34 d'un deuxième matériau isolant électriquement, qui peut être différent du premier matériau isolant ou identique au premier matériau isolant, s'étendant autour de la première couche isolante 32 et de même épaisseur que la couche isolante 32 ;
- une ouverture 36 s'étendant au travers de la couche isolante 34 sur toute l'épaisseur de la couche isolante 34 ;
- une couche conductrice électriquement 38 s'étendant dans l'ouverture 36 et étant en contact avec la couche conductrice 18 ;
- des couches conductrices électriquement 42, 44, 46, 48 et distinctes, la couche conductrice 42 étant au contact des premières têtes 26, la couche conductrice 44 étant au contact des deuxièmes têtes 28, la couche conductrice 46 étant au contact des troisièmes têtes 30 et la couche conductrice 48 étant au contact de la couche conductrice 38 ;
- une couche isolante électriquement 50 recouvrant les couches conductrices 42, 44, 46 et 48 et s'étendant entre les couches conductrices 42, 44, 46 et 48 et délimitant une face 51, de préférence sensiblement plane ; et
- des plots conducteurs électriquement 52, 54, 56, 58, pouvant avoir une structure multicouche, s'étendant au travers de la couche isolante 50 et affleurant la face 51, le plot conducteur 52 étant au contact de la couche conductrice 42, le plot conducteur 54 étant au contact de la couche conductrice 44, le plot conducteur 56 étant au contact de la couche conductrice 46 et le plot conducteur 58 étant au contact de la couche conductrice 48.
La puce de commande 14 comprend notamment du côté de la puce optoélectronique 12 une couche isolante électriquement 60 délimitant une face 61, de préférence sensiblement plane, et des plots conducteurs 62 affleurant la face 61, les plots conducteurs 62 étant reliés électriquement aux plots conducteurs 52, 54, 56, 58. Dans le cas où la puce de commande 14 est fixée à la puce optoélectronique 12 par collage moléculaire, les plots conducteurs 62 peuvent être en contact avec les plots conducteurs 52, 54, 56, 58. Dans le cas où la puce de commande 14 est fixée à la puce optoélectronique 12 par une liaison de type "flip chip", des billes de soudure ou des microtubes peuvent être interposés entre les plots conducteurs 62 et les plots conducteurs 52, 54, 56, 58.
L'ensemble formé par chaque fil 20, 22, 24 et la tête 26, 28, 30 associée constitue une diode électroluminescente élémentaire filaire en configuration axiale.
La figure 2 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation plus détaillé de la tête 26 d'une diode électroluminescente. Les têtes 28 et 30 peuvent avoir une structure similaire.
La tête 26 comprend du bas vers le haut en figure 2 :
- éventuellement une couche semiconductrice 70, appelée aussi coiffe semiconductrice, du même matériau que le fil 20 et dopée avec un premier type de conductivité, par exemple, du type N, recouvrant l'extrémité supérieure 72 du fil 20 et ayant une face supérieure 74 ;
- une région active 76 recouvrant la face 74 de la couche semiconductrice 70 ; et
- un empilement semiconducteur 78 recouvrant la région active 76 et comprenant au moins une couche semiconductrice 80, ayant un type de conductivité opposé à celui du fil 20, recouvrant la région active 76.
Chaque fil 20, 22, 24 et chaque couche semiconductrice 70, 80 sont, au moins en partie, formés à partir d'au moins un matériau semiconducteur. Selon un mode de réalisation, le matériau semiconducteur est choisi dans le groupe comprenant les composés 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 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 molaires. Le matériau semiconducteur des fils 20, 22, 24 et/ou des couches semiconductrices 70, 80 peut comporter 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.
L’empilement 78 peut en outre comprendre une couche de blocage d’électrons 82 entre la région active 76 et la couche semiconductrice 80, et une couche de liaison 84 recouvrant la couche semiconductrice 80 sur le côté opposé à la région active 76, la couche de liaison 84 étant recouverte par la couche conductrice 42. La couche de liaison 84 peut être en le même matériau semiconducteur que la couche semiconductrice 80, avec le même type de conductivité que la couche 80 semiconductrice mais avec une concentration en dopant supérieure. La couche de liaison 84 permet de former un contact ohmique entre la couche semiconductrice 80 et le plot conducteur 42.
La région active 76 est la région à partir de laquelle est émise la plus grande partie du rayonnement fourni par la diode électroluminescente. Selon un exemple, la région active 76 peut comprendre des moyens de confinement. La région active 76 peut comprendre au moins un puits quantique, comprenant une couche d’un matériau semiconducteur additionnel ayant une énergie de bande interdite inférieure à celle de la couche semiconductrice 70 et de la couche semiconductrice 80, de préférence interposée entre deux couches barrières, améliorant ainsi le confinement des porteurs de charge. Le matériau semiconducteur additionnel peut comprendre le composé III-V des couches semiconductrices dopées 70, 80 ayant au moins un élément additionnel incorporé dedans. A titre d’exemple, dans le cas de fils 20, 22, 24 constitués de GaN, le matériau additionnel formant le puits quantique est de préférence InGaN. La région active 76 peut être constituée d’un seul puits quantique ou d’une pluralité de puits quantiques.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque fil 20, 22, 24 est en GaN. La couche semiconductrice 70 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 70, 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 76 peut comprendre un seul ou une pluralité de puits quantiques, par exemple en InGaN. La région active 76 peut comprendre un seul puits quantique qui s’étend entre les couches semiconductrices 70, 80. En variante elle peut comprendre de multiples puits quantiques et elle est alors constituée d’une alternance, suivant l’axe C, de puits quantiques 86 par exemple en InGaN, et de couches barrières 88, par exemple en GaN, trois couches de GaN 88 et deux couches de InGaN 86 étant représentées à titre d’exemple en figure 2. Les couches de GaN 88 peuvent être dopées, par exemple, de type N ou P, ou non dopées. L’épaisseur de la région active 76, mesurée suivant l’axe C, peut être comprise entre 2 nm et 100 nm. La couche conductrice 80 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 semiconductrice 80 peut être comprise entre 20 nm et 100 nm. Lorsqu’une couche de blocage d’électrons 82 est présente, elle peut-être en GaN ou 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 76. L’épaisseur de la couche de blocage d’électrons 82 peut être comprise entre 10 nm et 50 nm. La couche de blocage d’électrons 82 peut correspondre à un super-réseau de couches d’InAlGaN ou de AlGaN et de GaN, chaque couche ayant par exemple une épaisseur de 2 nm.
Des essais ont été réalisés. Pour les essais, les fils 20 étaient en GaN. Les régions actives 76 comprenaient chacune sept puits quantiques en InGaN séparés par des couches en GaN. Les fils 20 ont été réalisés par MOCVD et les régions actives 76 ont été réalisées par MBE. La longueur d'onde du rayonnement émis par les régions actives 76 a été mesuré ainsi que le diamètre des fils 20.
La figure 3 regroupe les résultats de ces essais. L'axe des ordonnées représente la longueur d'onde centrale λ, exprimée en nanomètres, du rayonnement émis par les régions actives 76, et l'axe des abscisses représente le diamètre D, exprimé en nanomètres, des fils 20. Les résultats d'une première série d'essais sont représentés en figure 3 par des cercles blancs et les résultats d'une deuxième série d'essais sont représentés en figure 3 par des cercles noirs. La courbe CT est la courbe d'évolution de la longueur d'onde λ en fonction du diamètre D, obtenue par une régression par splines cubiques à partir des valeurs obtenues aux premiers et deuxièmes essais. Les lignes horizontales R, G, et B correspondent respectivement aux couleurs rouge, verte, et bleue.
A titre de comparaison, les losanges noirs représentent les résultats présentés dans la publication de Kishino et al intitulée "Monolithic integration of four-colour InGaN-based nanocolumn LEDs" (Elec Letters 28th May 2015 Vol 51 pages 852-854), et les hexagones contenant une croix représentent les résultats présentés dans la publication de Mi et al intitulée "Tunable, Full-Color Nanowire Light Emitting Diode Arrays Monolithically Integrated on Si and Sapphire" (Proc. of SPIE Vol. 9748+, 2016). Les résultats de comparaison ont été obtenus avec des fils en GaN et des régions actives à puits quantique unique en InGaN. En outre, les fils et les régions actives étaient formés par MBE pour les publications de Mi et al et de Kishino et al. Pour les résultats de comparaison, on observe une augmentation de la longueur d'onde du rayonnement émis avec le diamètre du fil. Il est connu que la longueur d’onde du rayonnement émis par la région active augmente lorsque la proportion d’indium dans le ou les puits quantiques augmente. Les résultats de comparaison impliquent donc que la proportion d’indium dans le puits quantique unique augmente lorsque le diamètre du fil augmente.
La formation des fils par MOCVD a permis la réalisation de fils de diamètres plus importants que ce qui est généralement réalisé par MBE, de sorte qu’après formation des régions actives par MBE, il a été observé de façon inattendue que la courbe d'évolution CT comprend successivement une première portion C1 ascendante, pour laquelle la longueur d'onde du rayonnement émis augmente avec le diamètre du fil, une deuxième portion C2 descendante, pour laquelle la longueur d'onde du rayonnement émis diminue avec le diamètre du fil, et une troisième portion C3 sensiblement constante, pour laquelle la longueur d'onde du rayonnement émis varie peu avec le diamètre du fil.
Selon un mode de réalisation, la première portion ascendante C1 est obtenue pour un diamètre de fils variant dans une première plage P1 d'environ 50 nm à environ 300 nm. La longueur d'onde du rayonnement émis sur la première portion ascendante augmente depuis environ 510 nm jusqu'à environ 675 nm. Selon un mode de réalisation, la deuxième portion descendante C2 est obtenue pour un diamètre de fils variant dans une deuxième plage P2 d'environ 300 nm à environ 375 nm. La longueur d'onde du rayonnement émis sur la deuxième portion descendante diminue depuis environ 675 nm jusqu'à environ 475 nm. Selon un mode de réalisation, la troisième portion constante C3 est obtenue pour un diamètre de fils compris dans une troisième plage P3 entre environ 375 nm et environ 550 nm. La longueur d'onde du rayonnement émis sur la troisième portion constante varie entre 460 nm et 490 nm. Comme cela apparaît sur la figure 3, une diode électroluminescente émettant dans le bleu peut être réalisée avec un diamètre dans la troisième plage P3 et des diodes électroluminescentes émettant dans le vert et dans le rouge peuvent être réalisées avec un diamètre dans la première plage P1. Une diode électroluminescente émettant dans le vert pourrait être réalisée avec un diamètre dans la troisième plage P2. Toutefois, en pratique, la variabilité de la longueur d'onde obtenue en fonction du diamètre peut être trop importante pour une application à une échelle industrielle.
Un pixel d'affichage a été réalisé en formant des premières diodes électroluminescentes à fils 20 de petit diamètre D1, des deuxièmes diodes électroluminescentes à fils 22 de diamètre intermédiaire D2, et des troisièmes diodes électroluminescentes à fils 24 de grand diamètre D3.
La figure 4 représente un diagramme de chromaticité XY sur lequel sont indiqués par des cercles noirs les résultats des premiers et deuxièmes essais. En sélectionnant, pour réaliser des sous-pixels d'affichage, les diodes électroluminescentes pour lesquelles les rayonnements correspondent aux cercles DR, DG, et DB les plus proches des "sommets" du diagramme de chromaticité, il est possible de réaliser l'affichage d'un pixel d'image dont la couleur peut être obtenue par combinaison des couleurs correspondant aux cercles DR, DG, et DB. Pour le cercle DR, le diamètre était égal à environ 200 nm – 250 nm. Pour le cercle DG, le diamètre était égal à environ 100 nm – 150 nm. Pour le cercle DB, le diamètre était supérieur ou égal à environ 370 nm. Il apparaît qu'une grande partie du diagramme de chromaticité peut être atteinte.
La figure 5 représente des courbes d'évolution CR, CG, et CBde l'intensité lumineuse I, exprimée en unité arbitraire (a.u.), en fonction de la longueur d'onde λ, exprimée en nanomètres (nm), du rayonnement émis respectivement par les diodes électroluminescentes correspondant aux cercles DR, DG, et DB en figure 4. Comme cela apparaît sur cette figure, les spectres des rayonnements de ces diodes électroluminescentes sont relativement étroits.
La figure 6 illustre une explication possible à l'évolution de la courbe CT de la figure 3. On a représenté en figure 6 très schématiquement trois fils 20, 22, 24 et les régions actives 76 associées, les empilements semiconducteurs 78 et les couches conductrices 42, 44 et 46 n'étant pas représentés. La partie supérieure de chaque fil 20, 22, 24 peut comprendre un plan c (face 90 perpendiculaire à l'axe C) et/ou des plans semi-polaires (faces 92 inclinées par rapport à l'axe C). La région active 76 est susceptible de recouvrir un plan c et/ou des plans semi-polaires. Les propriétés optiques de la partie de la région active 76 recouvrant un plan c ne sont pas les mêmes que la partie de la région active 76 recouvrant des plans semi-polaires. En particulier, le taux maximal d'incorporation de l'élément supplémentaire dans la partie de la zone active 76 recouvrant un plan c est supérieur au taux d'incorporation maximal de l'élément supplémentaire dans la partie de la zone active 76 recouvrant des plans semi-polaires. Une explication à l'évolution de la courbe CT de la figure 3 serait la suivante : dans la première plage P1 de diamètres, la contribution, dans le rayonnement global émis par la région active 76, de la partie de la région active 76 reposant sur un plan c domine par rapport à la contribution de la partie de la région active 76 reposant sur des plans semi-polaires. De ce fait, on observe une augmentation de la longueur d'onde du rayonnement global avec le diamètre du fil. Dans la deuxième plage P2 de diamètres, les importances de la contribution dans le rayonnement global de la partie de la région active 76 reposant sur un plan c et de la contribution dans le rayonnement global de la partie de la région active 76 reposant sur des plans semi-polaires s'inversent et, comme l'incorporation d'indium dans la partie de la région active 76 reposant sur des plans semi-polaires est réduite, la longueur d'onde centrale du rayonnement global chute. Dans la troisième plage P3 de diamètres, la contribution de la partie de la région active 76 reposant sur des plans semi-polaires dans le rayonnement global émis par la région active 76 domine par rapport à la contribution de la partie de la région active 76 reposant sur un plan c, d'où une stagnation de la longueur d'onde centrale du rayonnement émis.
En considérant à nouveau la figure 1, selon un mode de réalisation, chaque pixel d'affichage du dispositif optoélectronique 10 comprend au moins trois types de diodes électroluminescentes. Selon un mode de réalisation, les diodes électroluminescentes du premier type, comprenant par exemple les fils 20 et les têtes 26, sont adaptées à émettre un premier rayonnement à une première longueur d’onde centrale. Les diodes électroluminescentes du deuxième type, comprenant par exemple les fils 22 et les têtes 28, sont adaptées à émettre un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d’onde centrale. Les diodes électroluminescentes du troisième type, comprenant par exemple les fils 24 et les têtes 30, sont adaptées à émettre un troisième rayonnement à une troisième longueur d’onde centrale. Les première, deuxième, et troisième longueurs d’onde centrales sont différentes.
Selon un mode de réalisation, la première longueur d’onde correspond à de la lumière verte et est dans la plage de 510 nm à 550 nm. Selon un mode de réalisation, le premier diamètre D1 varie de 80 nm à 150 nm. Selon un mode de réalisation, la deuxième longueur d’onde correspond à de la lumière rouge et est dans la plage de 600 nm à 720 nm. Selon un mode de réalisation, le deuxième diamètre D2 varie de 200 nm à 350 nm. Selon un mode de réalisation, la troisième longueur d’onde correspond à de la lumière bleue et est dans la plage de 430 nm à 490 nm. Selon un mode de réalisation, le troisième diamètre D3 varie de 370 nm à 500 nm. De façon avantageuse, comme cela ressort de la figure 3, au-delà d'un diamètre égal à environ 400 nm, la longueur d'onde du rayonnement émis par la région active 76 est peu sensible au diamètre du fil.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel d'affichage comprend des diodes électroluminescentes d’un quatrième type, les diodes électroluminescentes du quatrième type étant adaptées à 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 dans la plage de 570 nm à 600 nm, ou à du cyan et est dans la plage de 490 nm à 510 nm, ou de façon générale à n'importe quelle autre couleur que les premier, deuxième, et troisième rayonnements.
Selon un mode de réalisation, pour chaque pixel d'affichage, les diodes électroluminescentes élémentaires ayant des fils de même diamètre sont à électrodes communes et, lorsqu'une tension est appliquée entre la couche conductrice 18 et la couche conductrice 42, 44 ou 46, un rayonnement lumineux est émis par les zones actives de ces diodes électroluminescentes élémentaires.
Dans le présent mode de réalisation, le rayonnement électromagnétique émis par chaque diode électroluminescente s'échappe du dispositif optoélectronique 10 par la face 17. De préférence, chaque couche conductrice 42, 44, 46 est réfléchissante et permet, de façon avantageuse, d'augmenter la proportion du rayonnement émis par les diodes électroluminescentes qui s'échappe du dispositif optoélectronique 10 par la face 17.
La puce optoélectronique 12 et la puce de commande 14 étant empilées, l’encombrement latéral du dispositif optoélectronique 10 est réduit. Selon un mode de réalisation, la dimension latérale d'un pixel d'affichage, mesurée perpendiculairement aux axes des fils est inférieure à 5 µm, de préférence inférieure à 4 µm, par exemple égale à environ 3 µm. De plus, la puce optoélectronique 12 peut avoir les mêmes dimensions que la puce de commande 14. De ce fait, la compacité du dispositif optoélectronique 10 peut, de façon avantageuse, être augmentée.
La couche conductrice 18 est adaptée à polariser les zones actives des têtes 26, 28, 30 et à laisser passer le rayonnement électromagnétique émis par les diodes électroluminescentes. Le matériau formant la couche conductrice 18 peut être un matériau transparent et conducteur tel que du graphène, ou un oxyde transparent et conducteur (ou TCO, sigle anglais pour Transparent Conducting Oxide), notamment l'oxyde d'indium-étain (ou ITO, sigle anglais pour Indium Tin Oxide), de l'oxyde de zinc dopé ou non à l'aluminium, ou au gallium ou au bore, ou des nanofils d'argent. A titre d'exemple, la couche conductrice 18 a une épaisseur comprise entre 20 nm et 500 nm, de préférence entre 20 nm et 100 nm.
La couche conductrice 38, les couches conductrices 42, 44, 46, 48 et les plots conducteurs 52, 54, 56, 58 peuvent être en métal, par exemple en aluminium, en argent, en platine, en nickel, en cuivre, en or ou en ruthénium ou en un alliage comprenant au moins deux de ces composés, notamment l'alliage PdAgNiAu ou l'alliage PtAgNiAu. La couche conductrice 38 peut avoir une épaisseur comprise entre 100 nm et 3 µm. Les couches conductrices 42, 44, 46, 48 peuvent avoir une épaisseur comprise entre 100 nm et 2 µm. La dimension latérale minimale, dans un plan perpendiculaire à la face 17, est comprise entre 150 nm et 1 µm, par exemple environ 0,25 µm. Les plots conducteurs 52, 54, 56, 58 peuvent avoir une épaisseur comprise entre 0,5 µm et 2 µm.
Chacune des couches isolantes 16, 32, 34 et 50 est en un matériau choisi dans le groupe comprenant l'oxyde de silicium (SiO2), le nitrure de silicium (SixNy, où x est environ égal à 3 et y est environ égal à 4, par exemple du Si3N4), l'oxynitrure de silicium (notamment de formule générale SiOxNy, par exemple du Si2ON2), l'oxyde d'hafnium (HfO2), l'oxyde de titane (TiO2), ou l'oxyde d'aluminium (Al2O3). La couche 34 et/ou la couche 32 peuvent en outre être en un matériau isolant organique, par exemple en parylène ou en benzocyclobutène (BCB). La couche isolante 16 peut avoir une épaisseur maximale comprise entre 100 nm et 5 µm. Les couches isolantes 32 et 34 peuvent avoir une épaisseur maximale comprise entre 0,5 µm et 2 µm. La couche isolante 50 peut avoir une épaisseur maximale comprise entre 0,5 µm et 2 µm.
Chaque fil 20, 22, 24 peut avoir une structure semiconductrice allongée selon un axe sensiblement perpendiculaire à la face 17. Chaque fil 20, 22, 24 peut avoir une forme générale cylindrique avec une section droite pouvant avoir différentes formes, telles que, par exemple, une forme ovale, circulaire ou polygonale, notamment triangulaire, rectangulaire, carrée ou hexagonale. Les axes de deux fils 20, 22, 24 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 20, 22, 24 peut être comprise entre 150 nm et 10 µm, de préférence entre 200 nm et 1 µm, plus préférentiellement entre 250 nm et 750 nm. Le diamètre moyen de chaque fil 20, 22, 24 peut être compris entre 50 nm et 10 µm, de préférence entre 100 nm et 2 µm, plus préférentiellement entre 120 nm et 1 µm.
Selon un mode de réalisation, les fils 20, 22, 24 sont formés simultanément par MOCVD à partir d'une couche de germination. Les conditions de croissance dans le réacteur sont adaptées pour favoriser la croissance préférentielle de chaque fil 20, 22, 24 suivant son axe C. Cela signifie que la vitesse de croissance d’un fil suivant l’axe C est beaucoup plus grande, de préférence d’au moins un ordre de grandeur, que la vitesse de croissance du fil 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.
Dans un autre mode de réalisation, on fait croître, sur chaque fil, la couche semiconductrice 70, lorsqu'elle est présente, par MBE. Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de la couche semiconductrice 70, 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 5*10- 5Torr (environ 6,7 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF entre 300 W et 600 W, par exemple 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 800 °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 0,5 sccm et 5 sccm, en particulier 1,5 sccm.
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.
Selon un mode de réalisation, on fait croître chaque couche de la région active 76 par 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 la 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 actif 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 76, en particulier les puits quantiques 86, 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, Ga, ou Al. La vitesse d’incorporation de l’élément additionnel dans la région active 76 dépend particulièrement des dimensions latérales des régions actives 76, de la distance entre les fils 20, 22, 24, et de la hauteur des régions actives 76 par rapport au support depuis lequel s'étendent les fils 20, 22, 24.
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 1200 °C.
Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de chaque couche barrière 88, 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 5*10- 5Torr (environ 6,7 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF entre 300 W et 600 W, par exemple 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 0,5 sccm et 5 sccm, en particulier 1,5 sccm.
Selon un mode de réalisation, pour la croissance par MBE de chaque puits quantique 86, 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 5*10- 5Torr (environ un 6,7 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF entre 300 W et 600 W, par exemple 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 900 °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 0,5 sccm et 5 sccm, en particulier 1,5 sccm.
Selon un mode de réalisation, on fait croître chaque couche de l’empilement semiconducteur 78 par MBE. En particulier, on fait croître la couche semiconductrice 80 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 82, la température dans le réacteur est comprise entre 700 °C et 900 °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 5*10- 5Torr (environ 6,7 mPa). Selon un mode de réalisation, un plasma est créé avec une puissance RF entre 300 W et 600 W, par exemple 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 0,5 sccm et 5 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 350 °C, en particulier 190 °C.
Les figures 7A à 7Q sont des vues en coupe, partielles et schématiques, 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 7A représente la structure obtenue après les étapes suivantes :
- former un support 100 correspondant à l'empilement, du bas vers le haut en figure 7A, d'un substrat 101, d’au moins une couche de nucléation, également appelée couche de germination, deux couches de nucléation 102 et 103 étant représentées à titre d'exemple en figure 7A, d'une couche isolante électriquement 104 et d'une couche isolante électriquement 106 sur la couche isolante 104, les couches isolantes 104, 106 étant en des matériaux différents ;
- former des premières ouvertures 108 dans les couches isolantes 104 et 106 pour exposer des parties de la couche de nucléation 103 aux emplacements souhaités des premiers fils 20, le diamètre des premières ouvertures 108 correspondant sensiblement au diamètre des premiers fils 20, des deuxièmes ouvertures 110 dans les couches isolantes 104 et 106 pour exposer des parties de la couche de nucléation 103 aux emplacements souhaités des deuxièmes fils 22, le diamètre des deuxièmes ouvertures 110 correspondant sensiblement au diamètre des deuxièmes fils 22, et des troisièmes ouvertures 112 dans les couches isolantes 104 et 106 pour exposer des parties de la couche de nucléation 103 aux emplacements souhaités des troisièmes fils 24, le diamètre des troisièmes ouvertures 112 correspondant sensiblement au diamètre des troisièmes fils 24 ;
- faire croître simultanément les fils 20, 22, 24 par MOCVD depuis la couche de nucléation 103 dans les ouvertures 108, 110, 112;
- faire croître simultanément les têtes 26, 28, 30 par MBE sur les fils 20, 22, 24, chaque tête 26, 28, 30 comprenant la région active 76 et l'empilement semiconducteur 78.
A titre de variante, les couches isolantes 104, 106 peuvent être remplacées par une couche isolante unique.
Le substrat 101 peut correspondre à une structure monobloc ou correspondre à une couche recouvrant un support constitué d'un autre matériau. Le substrat 101 est de préférence un substrat semiconducteur, par exemple un substrat en silicium, en germanium, en carbure de silicium, en un composé III-V, tel que 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, notamment le cuivre, le titane, le molybdène, un alliage à base de nickel et l'acier. De préférence, le substrat 101 est un substrat de silicium monocristallin. De préférence, il s'agit d'un substrat semiconducteur compatible avec les procédés de fabrication mis en oeuvre en microélectronique. Le substrat 101 peut correspondre à une structure multicouches de type silicium sur isolant, également appelée SOI (acronyme anglais pour Silicon On Insulator). Le substrat 101 peut être fortement dopé, faiblement dopé ou non dopé.
Les couches de nucléation 102, 103 sont en un matériau qui favorise la croissance des fils 20, 22, 24. Le matériau composant chaque couche de nucléation 102, 103 peut être un métal, un oxyde métallique, un nitrure, un carbure ou un borure d'un métal de transition de la colonne 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. A titre d'exemple, chaque couche de germination 102, 103 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 et carbure de tantale (TaCN), ou en nitrure de magnésium sous la forme MgxNy, où x est environ égal à 3 et y est environ égal à 2, par exemple du nitrure de magnésium selon la forme Mg3N2. Chaque couche de nucléation 102, 103 a, par exemple, une épaisseur comprise entre 1 nm et 100 nm, de préférence comprise entre 10 nm et 30 nm.
Chacune des couches isolantes 104 et 106 est en un matériau choisi dans le groupe comprenant l'oxyde de silicium (SiO2), le nitrure de silicium (SixNy, où x est environ égal à 3 et y est environ égal à 4, par exemple du Si3N4), l'oxynitrure de silicium (notamment de formule générale SiOxNy, par exemple du Si2ON2), l'oxyde d'hafnium (HfO2) ou l'oxyde d'aluminium (Al2O3). Selon un mode de réalisation, la couche isolante 104 est en oxyde de silicium et la couche isolante 106 est en nitrure de silicium. L'épaisseur de chaque couche isolante 104, 106 est comprise entre 10 nm et 100 nm, de préférence entre 20 nm et 60 nm, notamment égale à environ 40 nm.
Le procédé de croissance des fils 20, 22, 24 est le procédé MOCVD tel que décrit précédemment. La hauteur de chaque fil 20, 22, 24 à la fin de l'étape de croissance peut être comprise entre 250 nm et 15 µm, de préférence entre 500 nm et 5 µm, plus préférentiellement entre 1 µm et 3 µm. La hauteur des premiers fils 20 est différente de la hauteur des deuxièmes fils 22 et de la hauteur des troisièmes fils 24. La hauteur des fils 20, 22, 24 dépend notamment du diamètre du fil et de l'écart entre les fils. Selon un mode de réalisation, la hauteur des premiers fils 20 est supérieure à la hauteur des deuxièmes fils 22 et la hauteur des deuxièmes fils 22 est supérieure à la hauteur des troisièmes fils 24.
Chaque couche de nucléation 102, 103 et chaque couche isolante 104, 106 peut être déposée à titre d’exemple par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD, sigle anglais pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD, sigle anglais pour Low-Pressure Chemical Vapor Deposition), dépôt chimique en phase vapeur à pression sous-atmosphérique (SACVD, sigle anglais pour Sub-Atmospheric Chemical Vapor Deposition), CVD, dépôt physique en phase vapeur (PVD, sigle anglais pour Physical Vapor Deposition), ou dépôt par couches atomiques (ALD, sigle anglais pour Atomic Layer Deposition).
La figure 7B représente la structure obtenue après avoir déposé une couche diélectrique 113 sur la totalité des fils 20, 22, 24 et sur la couche isolante 106 entre les fils 20, 22, 24.
La couche diélectrique 113 peut être du même matériau que la couche isolante 106. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur minimale de la couche 113 est supérieure à la somme de la hauteur des plus petits fils 20, 22, 24 et de la hauteur de la tête 26, 28, 30 associée. De préférence, l'épaisseur minimale de la couche 113 est supérieure à la somme de la hauteur des plus grands fils 20, 22, 24 et de la hauteur de la tête 26, 28, 30 associée.
A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche diélectrique 113 est comprise entre 250 nm et 15 µm, de préférence entre 300 nm et 5 µm, par exemple égale à environ 2 µm. La couche isolante 113 peut être formée par les mêmes procédés que ceux utilisés pour la formation des couches isolantes 104, 106.
La figure 7C représente la structure obtenue après avoir aminci et planarisé la couche isolante 113 et une partie des têtes 26, 28, 30 pour délimiter une face 114 plane à une hauteur de la couche isolante 106 par exemple comprise entre 150 nm et 10 µm. La gravure est par exemple une planarisation mécano-chimique ou CMP (sigle anglais pour Chemical-Mechanical Planarization). La présence de la couche isolante 113 entre les fils 20, 22, 24 permet de mettre en oeuvre un procédé de gravure de type CMP, ce qui serait difficile, voire impossible, si seuls les fils étaient présents. Après cette étape, tous les ensembles fil-tête 20-26, 22-28, 24-30 ont la même hauteur. La gravure de la couche isolante 113 et d'une partie des fils 20, 22, 24 peut être réalisée en plusieurs étapes. A titre de variante, l'étape d'amincissement et de planarisation de la couche isolante 83 et d'une partie des têtes 26, 28, 30 peut ne pas être présente lorsque les ensembles fil-tête 20-26, 22-28, 24-30 ont sensiblement la même hauteur.
La figure 7D représente la structure obtenue après avoir retiré complètement la couche diélectrique 113 pour exposer la couche isolante 106 et les ensembles fil-tête 20-26, 22-28, 24-30. La couche isolante 106 peut alors jouer le rôle de couche d'arrêt lors de la gravure de la couche diélectrique 113. Le retrait de la couche diélectrique 113 peut être réalisé par une gravure humide. A titre de variante, la gravure de la couche diélectrique 113 peut être seulement partielle, une couche résiduelle étant conservée sur la couche isolante 106.
La figure 7E représente la structure obtenue après les étapes suivantes :
- formation de la couche isolante 32 ;
- formation de la couche isolante 34 ; et
- gravure ou amincissement de la couche isolante 34 sur une partie de son épaisseur pour délimiter une face sensiblement plane 116.
La couche isolante 32 peut être réalisée par un dépôt conforme, par exemple par LPCVD. Le procédé de formation de la couche isolante 32 est de préférence réalisé à une température inférieure à 700 °C pour ne pas endommager les régions actives des diodes électroluminescentes. En outre, un procédé du type LPCVD permet d'obtenir un bon remplissage entre les fils 20, 22, 24. L'épaisseur déposée de la couche isolante 32 peut être comprise entre 100 nm et 1 µm, par exemple environ 500 nm. La couche isolante 34 peut être réalisée par un dépôt conforme, par exemple par PECVD. L'épaisseur déposée de la couche isolante 34 peut être supérieure ou égale à 2 µm. La gravure partielle de la couche isolante 34 peut être réalisée par CMP. L'arrêt de la gravure peut être réalisé dans la couche isolante 34, comme cela est représenté en figure 7E, ou dans la couche isolante 32, mais de toute façon avant d'exposer les têtes 26, 28, 30.
La figure 7F représente la structure obtenue après avoir gravé les couches isolantes 32, 34 jusqu'à exposer les surfaces supérieures des têtes 26, 28, 30. La gravure est par exemple une gravure du type gravure ionique réactive (RIE, sigle anglais pour Reactive-Ion Etching) ou une gravure à plasma à couplage inductif (ICP, sigle anglais pour Inductively Coupled Plasma). Les têtes 26, 28, 30 pouvant ne pas avoir les mêmes dimensions, certaines têtes 26, 28, 30 peuvent être davantage exposées que d'autres. Les têtes 26, 28, 30 ne sont pas gravées à cette étape. La gravure est de préférence une gravure anisotrope. Des portions non représentées de la couche 32 peuvent être conservées sur les parois latérales des têtes 26, 28, 30. La couche située au sommet des têtes 26, 28, 30 joue le rôle de couche d'arrêt de gravure. Selon un mode de réalisation, lors de la formation des têtes 26, 28, 30, une couche supplémentaire est ajoutée aux sommets des têtes 26, 28, 30 pour jouer le rôle de couche d'arrêt de gravure. Il peut s'agir d'une couche de AlN.
La figure 7G représente la structure obtenue après les étapes suivantes :
- lorsque des couches d'arrêt de gravure sont présentes sur les têtes 26, 28, 30, retrait des couches d'arrêt de gravure ;
- dépôt d'une couche métallique sur la structure représentée en figure 7E, par exemple par pulvérisation cathodique, ayant par exemple une épaisseur de 0,5 µm ;
- gravure de la couche métallique pour délimiter les couches conductrices 42, 44, 46, 48.
Lorsque les couches d'arrêt de gravure sur les têtes 26, 28, 30 sont en AlN, elles peuvent être retirées par une gravure du type hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH). Avant la formation des couches conductrices 42, 44, 46, 48, des portions métalliques disjointes peuvent être formées sur l'ensemble de la structure. Ceci peut être réalisé par le dépôt d'une couche métallique de 1 nm d'épaisseur, par exemple du nickel ou du platine, et une étape de recuit thermique, par exemple à une température de 550 °C, ce qui conduit à la formation des portions disjointes.
La figure 7H représente la structure obtenue après les étapes suivantes :
- dépôt de la couche isolante 50 sur la structure représentée en figure 7G ; et
- formation des plots conducteurs 52, 54, 56, 58, par exemple en cuivre.
La figure 7I représente la structure obtenue après avoir fixé la puce de commande 14 à la puce optoélectronique 12. La fixation de la puce de commande 14 à la puce optoélectronique 12 peut être réalisée en utilisant des inserts tels que des microbilles de connexion, non représentées. A titre de variante, la fixation de la puce de commande 14 à la puce optoélectronique peut être réalisée par collage direct, sans utilisation d'inserts. Le collage direct peut comprendre un collage direct métal-métal de zones métalliques, notamment les plots conducteurs 62 de la puce de commande 14 et de zones métalliques, notamment les plots conducteurs 52, 54, 56, 58, de la puce optoélectronique 12 et un collage diélectrique-diélectrique de zones diélectriques, notamment la couche isolante 50, de la puce de commande 14, et de zones diélectriques, notamment la couche isolante 50, de la puce optoélectronique 12. La fixation de la puce de commande 14 à la puce optoélectronique 12 peut être réalisée par un procédé de thermocompression dans lequel la puce optoélectronique 12 est plaquée contre la puce de commande 14, avec application d'une pression et d'un chauffage.
La figure 7J représente la structure obtenue après les étapes suivantes :
- retrait du substrat 101 ;
- retrait des couches de germination 102, 103 ;
- retrait des couches isolantes 104 et 106 ;
- gravure partielle de la couche isolante 32, de la couche isolante 34 et des fils 20, 22, 24 pour délimiter une face 118 sensiblement plane.
Le retrait du substrat 101 peut être réalisé par meulage et/ou gravure humide. Le retrait des couches de germination 102, 103, de la couche isolante 32, de la couche isolante 34 et des fils 20, 22, 24 peut être réalisé par gravure humide, gravure sèche ou par CMP. La couche isolante 104 ou 106 peut jouer le rôle de couche d'arrêt de gravure lors de la gravure de la couche de germination 103.
La figure 7K représente la structure obtenue après avoir formé la couche conductrice 18 sur la face 118, par exemple en déposant une couche de TCO sur la totalité de la face 118, ayant par exemple une épaisseur de 50 nm, et en gravant cette couche par des techniques de photolithographie pour ne conserver que la couche de TCO 18.
La figure 7L représente la structure obtenue après avoir gravé l'ouverture 36 dans la couche isolante 34 sur toute l'épaisseur de la couche isolante 34 pour exposer la couche conductrice 48. Ceci peut être réalisé par des techniques de photolithographie.
La figure 7M représente la structure obtenue après avoir formé la couche conductrice 38 dans l'ouverture 36 et sur la face 118 au contact de la couche conductrice 18. Ce peut être réalisé en déposant un empilement de couches conductrices, par exemple du type Ti/TiN/AlCu, sur la totalité de la structure du côté de la face 118, et en gravant cet empilement par des techniques de photolithographie pour ne conserver que la couche conductrice 38.
La figure 7N représente la structure obtenue après avoir formé, sur la couche conductrice 18, la couche isolante 16 délimitant la face 17. Il s'agit par exemple d'une couche de SiON déposée par PECVD avec une épaisseur de 1 µm.
Une étape supplémentaire de formation de reliefs sur la face 17, également appelée étape de texturation, peut être prévue pour augmenter l'extraction de la lumière.
La diminution de la hauteur des fils par la face arrière peut être réalisée par un procédé de type CMP, comme cela a été décrit précédemment, ou par tout autre procédé de gravure sèche ou de gravure humide. La hauteur des fils, notamment en GaN, obtenue peut être choisie de manière à augmenter l’extraction de la lumière par le pied du fil par des interactions optiques à l’intérieur même du fil. De plus, cette hauteur peut être choisie de manière à favoriser le couplage optique entre les différents fils et donc à augmenter l’émission collective d’un ensemble de fils.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, bien que dans les modes de réalisation décrits précédemment le dispositif optoélectronique comprenne deux puces fixées l'une à l'autre, il est clair que le dispositif optoélectronique peut comprendre une puce unique, le circuit électronique de commande des diodes électroluminescents étant réalisé de façon intégrée avec les diodes électroluminescentes. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (18)

  1. Dispositif optoélectronique (10) comprenant des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes tridimensionnelles à configuration axiale, chaque diode électroluminescente comprenant un élément semiconducteur (20, 22, 24) et une région active (76) reposant sur l'élément semiconducteur, chaque élément semiconducteur correspondant à un microfil, un nanofil, un élément conique de taille nanométrique ou micrométrique, ou un élément tronconique de taille nanométrique ou micrométrique, les premières diodes électroluminescentes étant configurées pour émettre un premier rayonnement à une première longueur d'onde, les éléments semiconducteurs des premières diodes électroluminescentes ayant un premier diamètre (D1), les deuxièmes diodes électroluminescentes étant configurées pour émettre un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d'onde, les éléments semiconducteurs des deuxièmes diodes électroluminescentes ayant un deuxième diamètre (D2), et les troisièmes diodes électroluminescentes étant configurées pour émettre un troisième rayonnement à une troisième longueur d'onde, les éléments semiconducteurs des troisièmes diodes électroluminescentes ayant un troisième diamètre (D3), le premier diamètre (D1) étant inférieur strictement au deuxième diamètre (D2) et le deuxième diamètre (D2) étant inférieur strictement au troisième diamètre (D3), la première longueur d'onde étant supérieure strictement à la troisième longueur d'onde et la deuxième longueur d'onde étant supérieure strictement à la première longueur d'onde.
  2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel le premier diamètre (D1) varie de 80 nm à 150 nm.
  3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième diamètre (D2) varie de 200 nm à 350 nm.
  4. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le troisième diamètre (D3) varie de 370 nm à 500 nm.
  5. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première longueur d’onde est comprise entre 510 nm et 570 nm.
  6. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième longueur d’onde est comprise entre 600 nm et 720 nm.
  7. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la troisième longueur d’onde est comprise entre 430 nm et 490 nm.
  8. Dispositif optoélectronique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un premier circuit optoélectronique (12) fixé à un deuxième circuit électronique (14), le deuxième circuit électronique (14) comprenant des plots conducteurs électriquement (62), le premier circuit optoélectronique comprenant des pixels et comportant, pour chaque pixel :
    - une première couche conductrice électriquement (18) ;
    - pour chacune des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes, ledit élément semiconducteur (20, 22, 24) s'étendant perpendiculairement à la première couche conductrice électriquement et au contact de la première couche conductrice électriquement et la région active (76) reposant sur l'extrémité de l'élément semiconducteur opposée à la première couche conductrice électriquement ; et
    - des deuxième, troisième, quatrième, et cinquième couches conductrices électriquement (42, 44, 46, 48) reliées électriquement aux plots (62) conducteurs électriquement, la deuxième couche conductrice électriquement (42) étant reliée aux régions actives (76) des premières diodes électroluminescentes, la troisième couche conductrice électriquement (44) étant reliée aux régions actives (76) des deuxièmes diodes électroluminescentes, la quatrième couche conductrice électriquement (46) étant reliée aux régions actives (76) des troisièmes diodes électroluminescentes, et la cinquième couche conductrice électriquement (48) étant reliée à la première couche conductrice électriquement.
  9. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque région active (76) comprend un puits quantique unique ou des puits quantiques multiples.
  10. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les éléments semiconducteurs (20, 22, 24) et les régions actives sont en composés III-V.
  11. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les éléments semiconducteurs (22, 24, 26) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont formés par MOCVD.
  12. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel les régions actives (76) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont formées par MBE.
  13. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel les éléments semiconducteurs (20, 22, 24) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes reposent sur un substrat (100) et sont au contact d'un matériau adapté à la croissance par épitaxie des éléments semiconducteurs (20, 22, 24) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes.
  14. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes forment une structure monolithique.
  15. Procédé de fabrication du dispositif optoélectronique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant les étapes successives suivantes :
    - former simultanément les éléments semiconducteurs (22, 24, 26) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ; et
    - former simultanément les régions actives (76) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sur les éléments semiconducteurs (22, 24, 26) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes.
  16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel les éléments semiconducteurs (22, 24, 26) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont formés par MOCVD.
  17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, dans lequel les régions actives (76) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sont formées par MBE.
  18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, comprenant les étapes successives suivantes :
    - former simultanément sur un support (110) les éléments semiconducteurs (22, 24, 26) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes et former les régions actives (76) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes sur les éléments semiconducteurs (22, 24, 26) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ;
    - former une couche isolante électriquement (32) entre les éléments semiconducteurs tridimensionnels (20, 22, 24) des premières, deuxièmes, et troisièmes diodes électroluminescentes ; et
    - retirer le support.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3137499A1 (fr) * 2022-06-30 2024-01-05 Aledia Dispositif optoélectronique à zones de transitions

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018122358A1 (fr) * 2016-12-29 2018-07-05 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes
WO2019002102A1 (fr) * 2017-06-30 2019-01-03 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes
WO2019002786A1 (fr) * 2017-06-30 2019-01-03 Aledia Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles en configuration axiale
US20200075664A1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 Analog Devices, Inc. Monolithically integrated nanoemitter light source assembly
WO2020054938A1 (fr) * 2018-09-13 2020-03-19 삼성디스플레이 주식회사 Procédé de fabrication d'éléments électroluminescents et dispositif d'affichage comprenant des éléments électroluminescents

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018122358A1 (fr) * 2016-12-29 2018-07-05 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes
WO2019002102A1 (fr) * 2017-06-30 2019-01-03 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes
WO2019002786A1 (fr) * 2017-06-30 2019-01-03 Aledia Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles en configuration axiale
US20200075664A1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 Analog Devices, Inc. Monolithically integrated nanoemitter light source assembly
WO2020054938A1 (fr) * 2018-09-13 2020-03-19 삼성디스플레이 주식회사 Procédé de fabrication d'éléments électroluminescents et dispositif d'affichage comprenant des éléments électroluminescents

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KISHINO ET AL.: "Monolithic intégration of four-colour InGaN-based nanocolumn LEDs", ELEC LETTERS, vol. 51, 28 May 2015 (2015-05-28), pages 852 - 854, XP006052181, DOI: 10.1049/el.2015.0770
MI ET AL.: "Tunable, Full-Color Nanowire Light Emitting Diode Arrays Mo-nolithically Integrated on Si and Sapphire", PROC. OF SPIE, vol. 9748, 2016, XP060067672, DOI: 10.1117/12.2213741

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