FR3137497A1 - Dispositif optoélectronique à réflecteur - Google Patents

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Abstract

Titre : Dispositif optoélectronique à réflecteur L’invention concerne un dispositif optoélectronique (1) comprenant au moins une première source de lumière (100) configurée pour émettre un premier faisceau lumineux (101) émettant au moins à une première longueur d’onde λ1 et émis au moins selon une direction appelée première direction d’émission (110), le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un premier réflecteur (150) bordant la première source de lumière, configuré pour réfléchir selon une première direction de réflexion des premiers rayons lumineux de première longueur d’onde λ1 émis selon la première direction d’émission, et en ce que l’au moins un premier réflecteur comprend une pluralité de premiers nanofils passifs (151). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Dispositif optoélectronique à réflecteur
La présente invention concerne notamment le domaine des technologies de la microélectronique et de l’optoélectronique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse mais non limitative les systèmes d’affichage à base de LED (de l’anglais « Light-Emitting Diode », se traduisant en français par diode électroluminescente).
 ETAT DE LA TECHNIQUE
Un écran d’affichage comprend généralement une pluralité de pixels disposés sur un plan dit basal et émettant indépendamment les uns des autres. Chaque pixel de couleur comprend généralement au moins trois composants d’émission et/ou de conversion d’un flux lumineux, également appelés sous-pixels. Ces sous-pixels émettent chacun un flux lumineux sensiblement dans une seule couleur (typiquement le rouge, le vert et le bleu). La couleur d’un pixel perçue par un observateur vient de la superposition des différents flux lumineux émis par les sous-pixels.
Typiquement, une LED ou micro-LED permet d’émettre le flux lumineux associé à un sous-pixel. Un enjeu important de ces technologies concerne la directivité de la lumière émise par les LED. En effet, même si la LED est configurée pour émettre principalement selon une direction normale au plan basal, certains rayons du faisceau sont émis selon des directions trop rasantes pour être extraites du sous-pixel et ne participent pas à l’intensité lumineuse perçue par l’observateur.
De nombreuses solutions d’extraction de la lumière ont été divulguées dans l’art antérieur. L’une d’entre elles concerne l’extraction d’une lumière laser à l’aide d’une surface texturée. Cette solution est représentée schématiquement à la . Un guide d’onde 30 dans lequel se propage un rayonnement laser 41 est constitué d’une part d’une région 31 utilisée comme cavité laser DFB (de l’anglais « Distributed FeedBack laser, pouvant être traduit en français par « laser à rétroaction répartie »). Cette région 31 est injectée électriquement – il s’agit de la zone active du guide – et présente un coefficient de couplage élevé permettant une propagation avec peu de pertes. Le guide d’onde est constitué d’autre part d’une région 32 permettant l’extraction en surface 42 d’une partie du rayonnement laser. La région 32 est une zone passive du guide, elle n’est pas injectée électriquement. Elle présente un coefficient de couplage plus faible que la zone active. Le guide d’onde 30 est une simple couche structurée en réseau périodique dont la hauteur et le pas sont configurés pour le confinement (au niveau de la zone active 31) ou l’extraction (au niveau de la zone passive 32) du rayonnement laser 41. Le rayonnement laser provient d’une région latérale non représentée sur la .
Cette solution est couramment utilisée pour l’extraction laser mais n’est pas compatible avec des sources de lumière incohérente telles que les LED. De plus, si cette solution permet d’obtenir un bon rendement d’extraction, elle est incompatible avec une extraction lumineuse se faisant dans la même région que l’émission lumineuse, comme c’est le cas dans les écrans d’affichage formés de pixels.
Une autre solution, cette fois adaptée aux pixels à base de LEDs, consiste à former un miroir composite autour de chaque sous-pixel. Cependant, la formation d’un tel miroir, à la hauteur très faible, nécessite des étapes de masquage et de dépôt complexes à réaliser sans dégrader des LEDs environnantes et sans apporter de contaminations.
Il existe donc un besoin pour une solution d’extraction lumineuse compatible avec la structure des pixels à base de LEDs, dont la mise en œuvre n’altère pas la qualité des pixels et présentant de meilleures performances d’extraction que les structures actuelles.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, un premier objet concerne un dispositif optoélectronique comprenant un substrat présentant une face supérieure s’étendant selon un plan dit plan basal défini par une première direction et une deuxième direction, au moins une première source de lumière disposée sur la face supérieure et configurée pour émettre un premier faisceau lumineux émettant au moins à une première longueur d’onde λ1, ledit premier faisceau lumineux étant émis au moins selon une direction appelée première direction d’émission dont un premier vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon au moins l’une parmi la première direction et la deuxième direction.
Le dispositif est caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un premier réflecteur bordant au moins en partie la première source de lumière, configuré pour réfléchir selon une première direction de réflexion des premiers rayons lumineux de première longueur d’onde λ1émis selon la première direction d’émission, et en ce que l’au moins un premier réflecteur comprend une pluralité de premiers nanofils passifs s’étendant depuis la face supérieure du substrat.
Le premier réflecteur formé de premiers nanofils passifs permet de réfléchir efficacement les premiers rayons lumineux et ainsi d’extraire la lumière émise par la première source de lumière.
Un deuxième objet concerne un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique comprenant une première source de lumière et un premier réflecteur comprenant lui-même une pluralité de premiers nanofils passifs. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
  • Fournir un substrat présentant une face supérieure, s’étendant selon un plan dit plan basal défini par une première direction et une deuxième direction et comprenant une couche de nucléation permettant la nucléation et la croissance des premiers nanofils passifs,
  • Faire croître les premiers nanofils passifs depuis la face supérieure du substrat de sorte à former le premier réflecteur, le premier réflecteur étant configuré pour réfléchir selon une première direction de réflexion des premiers rayons lumineux de première longueur d’onde λ1émis selon la première direction d’émission,
  • Former la première source de lumière sur la face supérieure du substrat, la première source de lumière étant configurée pour émettre un premier faisceau lumineux émettant au moins à la première longueur d’onde λ1, ledit premier faisceau lumineux étant émis au moins selon une direction appelée première direction d’émission dont un premier vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon au moins l’une parmi la première direction et la deuxième direction.
Selon un mode de réalisation avantageux, la première source de lumière comprend au moins un premier nanofil actif dont la formation se fait de manière simultanée avec la formation des premiers nanofils passifs. Former les nanofils passifs et actifs lors des mêmes étapes de fabrication permet de limiter la dégradation de la qualité des pixels. Cette solution est notamment rendue possible par le fait que les premiers nanofils actifs (formant la première source de lumière) et les premiers nanofils passifs (formant le premier réflecteur) peuvent être à base du même matériau. Ce n’était notamment pas le cas dans la solution décrite consistant à déposer des miroirs composites autour des sous-pixels.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La représente un réseau de diffraction utilisé dans l’art antérieur pour une émission laser de surface.
La représente une vue de dessus d’un mode de réalisation du dispositif objet de l’invention. Sont notamment visibles une source de lumière et un réflecteur l’entourant.
Les figures 2B à 2E représentent des vues de dessus d’autres modes de réalisation du dispositif objet de l’invention. Elles illustrent différentes variantes concernant le nombre et l’arrangement de nanofils que la source de lumière du dispositif peut comprendre.
La représente une vue en coupe d’un mode de réalisation du dispositif selon l’invention comprenant une seule source de lumière. Sont notamment visibles une source de lumière comprenant des nanofils actifs et émettant un faisceau lumineux ainsi qu’un réflecteur comprenant des nanofils passifs.
La représente une vue en coupe d’un mode de réalisation du dispositif selon l’invention comprenant deux sources de lumière adjacentes et séparées par une zone de transition.
La représente une vue en coupe d’un mode de réalisation dans lequel le réflecteur a une fonction de découpleur.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions de chacun des éléments ne sont pas représentatives de la réalité.
 DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Selon un mode de réalisation, la première source de lumière est une source de lumière incohérente.
Selon un mode de réalisation, les premiers nanofils passifs présentent un diamètre décroissant ou croissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une première source de lumière. Cela permet d’éviter les ruptures de symétrie et les effets de bord autour de la première source de lumière et donc autour du sous-pixel formé par la première source de lumière.
Selon un mode de réalisation, les premiers nanofils passifs sont agencés selon un premier pas p1constant selon au moins l’une parmi la première direction et la deuxième direction.
Selon un mode de réalisation, les premiers nanofils passifs sont agencés selon un pas croissant ou décroissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une première source de lumière. Cela permet d’éviter les ruptures de symétrie et les effets de bord autour de la première source de lumière et donc autour du sous-pixel formé par la première source de lumière.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une première source de lumière comprend au moins un premier nanofil actif présentant un premier diamètre φ01et comprenant une première région active configurée pour émettre les premiers rayons lumineux de première longueur d’onde λ1.
Selon un mode de réalisation, le premier diamètre φ01de l’au moins un premier nanofil actif est inférieur à 5 µm.
Selon un exemple, les premiers nanofils passifs et l’au moins un premier nanofil actif sont à base du même matériau.
Selon un mode de réalisation, l’au moins un premier réflecteur entoure intégralement, selon une projection sur le plan basal, la première source de lumière. Cela permet de créer une cavité fermée autour de la première source de lumière et d’améliorer encore l’extraction lumineuse.
Selon un mode de réalisation :
  • Le premier vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon la première direction,
  • Le premier vecteur directeur d’émission présente une projection orthogonale dans un plan transversal défini par la première direction et une troisième direction normale au plan basal, dite premier vecteur projeté d’émission , formant un premier angle d’émission avec la troisième direction,
  • Un premier vecteur directeur de réflexion de la première direction de réflexion présente une projection orthogonale dans le plan transversal, dite premier vecteur projeté de réflexion , formant un premier angle de réflexion avec la troisième direction,
  • La pluralité de nanofils passifs est configurée pour réfléchir les premiers rayons lumineux de sorte que le premier angle d’émission et le premier angle de réflexion soient distincts.
Selon un exemple, le premier angle de réflexion est inférieur à 40°, de préférence inférieur à 20°.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins une deuxième source de lumière adjacente à la première source de lumière, configurée pour émettre un deuxième faisceau lumineux émettant à une deuxième longueur d’onde λ2, ledit deuxième faisceau lumineux étant émis au moins selon une direction appelée deuxième direction d’émission dont un deuxième vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon au moins l’une parmi la première direction et la deuxième direction, lesdites première et deuxième sources de lumière étant séparées par une zone de transition comprenant l’au moins un premier réflecteur et au moins un deuxième réflecteur, l’au moins un deuxième réflecteur étant configuré pour réfléchir selon une deuxième direction de réflexion des deuxièmes rayons lumineux de deuxième longueur d’onde λ2, ledit au moins un deuxième réflecteur comprenant une pluralité de deuxièmes nanofils passifs s’étendant depuis la face supérieure du substrat.
Selon un mode de réalisation, la deuxième source de lumière est une source de lumière incohérente.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes nanofils passifs présentent un diamètre décroissant ou croissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une deuxième source de lumière.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes nanofils passifs sont agencés selon un deuxième pas constant p2selon au moins l’une parmi la première direction et la deuxième direction.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes nanofils passifs sont agencés selon un pas croissant ou décroissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une deuxième source de lumière.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une deuxième source de lumière comprend au moins un deuxième nanofil actif présentant un deuxième diamètre φ02et comprenant une deuxième région active configurée pour émettre les deuxièmes rayons lumineux de deuxième longueur d’onde λ2.
Selon un mode de réalisation, le deuxième diamètre φ02du au moins un deuxième nanofil actif est inférieur à 5 µm.
Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention :
  • la première source de lumière comprend au moins un premier nanofil actif,
  • la couche de nucléation permet la nucléation et la croissance de l’au moins un nanofil actif,
  • l’étape de formation de la première source de lumière comprend une étape de croissance de l’au moins un premier nanofil actif depuis la face supérieure du substrat de sorte à former la première source de lumière.
Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention, l’étape de croissance des premiers nanofils passifs et l’étape de croissance de l’au moins un premier nanofil actif se font de manière simultanée.
On entend par fil ou par nanofil une structure 3D de forme allongée selon la direction longitudinale. La dimension longitudinale de la structure 3D, selon z sur les figures, est supérieure, et de préférence très supérieure, aux dimensions transverses de la structure 3D, dans le plan xy sur les figures. La dimension longitudinale est par exemple au moins cinq fois, et de préférence au moins dix fois, supérieure aux dimensions transverses.
On entend par diamètre la dimension transverse la plus grande du nanofil. Dans la présente invention, les structures 3D ne présentent pas nécessairement une section transverse circulaire. Les structures 3D peuvent notamment présenter une section transverse hexagonale ou polygonale. En particulier, dans le cas de structures 3D à base de GaN, cette section peut être hexagonale. Le diamètre correspond alors à un diamètre moyen calculé à partir du diamètre d’un cercle inscrit dans le polygone de la section transverse et du diamètre d’un cercle circonscrit de ce polygone.
Dans la présente demande de brevet, les termes « diode électroluminescente », « LED » ou simplement « diode » sont employés en synonymes. Une « LED » peut également s’entendre d’une « micro-LED ».
Dans la suite, les abréviations suivantes relatives à un matériau M sont éventuellement utilisées :
M-i réfère au matériau M intrinsèque ou non intentionnellement dopé, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -i.
M-n réfère au matériau M dopé N, N+ ou N++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -n.
M-p réfère au matériau M dopé P, P+ ou P++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -p.
On entend par un substrat, une couche, un dispositif, « à base » d’un matériau M, un substrat, une couche, un dispositif comprenant ce matériau M uniquement ou ce matériau M et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments d’alliage, des impuretés ou des éléments dopants. Ainsi, une structure 3D à base de nitrure de gallium (GaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium (GaN ou GaN-i) ou du nitrure de gallium dopé (GaN-p, GaN-n). Une région active à base de nitrure de gallium-indium (InGaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) ou du nitrure de gallium avec différentes teneurs en aluminium et en indium (GaInAlN). Dans le cadre de la présente invention, le matériau M est généralement cristallin.
Un repère, de préférence orthonormé, comprenant les axes x, y, z est représenté sur les figures annexées.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient, lorsqu’ils se rapportent à une valeur, « à 10% près » de cette valeur ou, lorsqu'ils se rapportent à une orientation angulaire, « à 10° près » de cette orientation. Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan.
Pour déterminer la géométrie des structures 3D et les compositions des différents éléments (fil, région active, collerette par exemple) de ces structures 3D, on peut procéder à des analyses de Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ou de Microscopie Electronique en Transmission (MET ou TEM pour l’acronyme anglais de « Transmission Electron Microscopy ») ou encore ou de Microscopie Electronique en Transmission à Balayage STEM (acronyme anglais de « Scanning Transmission Electron Microscopy »).
Le TEM ou le STEM se prêtent notamment bien à l’observation et à l’identification des puits quantiques – dont l’épaisseur est généralement de l’ordre de quelques nanomètres – dans la région active. Différentes techniques listées ci-après de façon non exhaustive peuvent être mises en œuvre : l’imagerie en champ sombre (dark field) et en champ clair (bright field), en faisceau faible (weak beam), en diffraction aux grands angles HAADF (acronyme anglais de « High Angle Annular Dark Field »).
Les compositions chimiques des différents éléments peuvent être déterminées à l’aide de la méthode bien connue EDX ou X-EDS, acronyme de « energy dispersive x-ray spectroscopy » qui signifie « analyse dispersive en énergie de photons X ».
Cette méthode est bien adaptée pour analyser la composition de dispositifs optoélectroniques de petites tailles telles que des LED à base de nanofils (LED 3D). Elle peut être mise en œuvre sur des coupes métallurgiques au sein d’un Microscope Electronique à Balayage (MEB) ou sur des lames minces au sein d’un Microscope Electronique en Transmission (MET).
Les propriétés optiques des différents éléments, et notamment les longueurs d’onde principales d’émission des LED 3D à base de GaN et/ou des régions actives à base d’InGaN, peuvent être déterminées par spectroscopie.
Les spectroscopies de cathodoluminescence (CL) et de photoluminescence (PL) sont bien adaptées pour caractériser optiquement les structures 3D décrites dans la présente invention.
Les techniques mentionnées ci-dessus permettent notamment de déterminer si un dispositif optoélectronique à LED comprend un ou des réflecteurs latéraux formés par des nanofils, selon un principe de la présente invention.
Le dispositif optoélectronique 1 objet de l’invention comprend un substrat 2 présentant une face supérieure 20 s’étendant selon un plan défini par une première direction et une deuxième direction. Ces deux directions correspondent sur les figures 2A à 2E, 3 et 4 aux directions portées par les axes x et y du repère orthogonal représenté. Le substrat 2 peut se présenter sous forme d’un empilement comprenant, selon la direction z, un support 21, une couche superficielle dite couche de nucléation 22 et une couche de masquage 23.
Le support 21 peut être notamment en saphir pour limiter le désaccord de paramètre de maille avec le GaN, ou en silicium pour réduire les coûts et pour des problématiques de compatibilité technologique. Dans ce dernier cas, il peut se présenter sous forme d’un wafer de diamètre 200 mm ou 300 mm. Il sert notamment de support aux structures 3D.
La couche de nucléation 22 peut être à base d’AlN. Elle peut être alternativement à base d’autres nitrures métalliques, par exemple GaN ou AlGaN. Elle peut être formée sur le support 21 en silicium par épitaxie, de préférence par épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »). Selon un exemple la couche de nucléation 22 présente une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 µm (1 nm = 10-9m). Elle présente de préférence une épaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanomètres, par exemple environ 100 nm ou 200 nm, à quelques microns, par exemple de l’ordre de 2 µm. Elle peut également présenter une épaisseur inférieure à 100 nm. Cela permet de limiter les contraintes mécaniques induites par cette couche 22 sur le support 21. Cela permet d’éviter une courbure du support 21 préjudiciable. Une telle épaisseur permet en outre de limiter l’apparition de défauts structuraux dans la couche de nucléation 22. En particulier, la croissance de cette couche de nucléation 22 peut être pseudomorphe, c’est-à-dire que les contraintes d’épitaxie (liées notamment à la différence de paramètres de maille entre le Si et l’AlN, le GaN ou l’AlGaN) peuvent être relâchées élastiquement pendant la croissance. La qualité cristalline de cette couche de nucléation 22 peut ainsi être optimisée.
Le dispositif optoélectronique 1 comprend de plus une première source de lumière 100 disposée sur la face supérieure 20 du substrat 2. Cette première source de lumière 100 comprend typiquement au moins un nanofil actif 130, comme représenté sur la . Un tel nanofil 130 s’étend avantageusement à partir de l’éventuelle couche de nucléation 22 et à travers une ouverture de l’éventuelle couche de masquage 23 du substrat 2. La première source de lumière 100 comprend avantageusement une pluralité de premiers nanofils actifs 130, comme représenté sur les figures 2B à 2E.
Les premiers nanofils actifs 130 peuvent être arrangés selon différentes configurations dont certaines sont illustrées aux figures 2B à 2E. L’arrangement des premiers nanofils actifs 130 présente avantageusement au moins un plan de symétrie autre qu’un plan de symétrie parallèle au plan basal. Il est préférentiellement configuré de sorte à ce que le champ électromagnétique au sein de la première source de lumière présente des maximums au niveau des nanofils actifs.
Un nanofil actif 130 comprend une région active 131 et est connecté électriquement. Cette région active 131 est le lieu de recombinaisons radiatives de paires électron-trou permettant d’obtenir un rayonnement lumineux présentant une longueur d’onde principale. La région active 131 comprend typiquement une pluralité de puits quantiques, par exemple formés par des couches émissives à base de GaN, InN, InGaN, AlGaN, AlN, AlInGaN, GaP, AlGaP, AlInGap, AlGaAs, GaAs, InGaAs, AlIlAs, ou d’une combinaison de plusieurs de ces matériaux.
La première source de lumière 100 comprend typiquement une couche à base d’un oxyde conducteur transparent, couramment dénommée TCO (de l’anglais « Transparent Conductive Oxide »), dont l’épaisseur est de préférence comprise entre 100 et 300 nm. Les nanofils sont typiquement disposés dans la direction longitudinale entre une couche miroir à base d’un matériau métallique, typiquement de l’Al, et la couche TCO. Cette disposition des nanofils entre la couche miroir et la couche TCO permet éventuellement de créer une cavité Fabry-Perot dans la direction longitudinale.
La première source de lumière 100 est avantageusement dimensionnée pour présenter des dimensions de l’ordre de celles d’un sous-pixel d’un dispositif d’affichage, préférentiellement entre 1 µm et 150 µm, typiquement entre 4 et 150 µm.
La première source de lumière 100 est configurée pour émettre un premier faisceau lumineux 101. De manière avantageuse, le premier faisceau lumineux 101 est configuré pour être émis principalement selon une direction normale au substrat 2, soit s’étendant parallèlement à l’axe z représenté sur les figures 2A à 4, dite direction longitudinale. Le faisceau lumineux 101 comprend cependant une multitude de rayons se propageant selon autant de directions d’émission. L’émission est par exemple omnidirectionnelle. Les rayons du faisceau sont typiquement émis selon un profil lambertien ou orthotrope, c’est-à-dire que la luminance de la source de lumière 100 est uniforme angulairement, mais que l’intensité lumineuse émise dépend de la direction d’émission. L’intensité lumineuse du faisceau varie typiquement selon la loi de Lambert :
[Math 1]

avec I l’intensité lumineuse selon une direction d’émission, I0l’intensité lumineuse à la source et θ l’angle de la direction d’émission par rapport à la normale à la surface source, ici la direction longitudinale. Il est entendu que tout autre profil d’émission est envisageable et que la première source de lumière 100 n’est pas limitée à une source lambertienne.
Quel que soit le profil d’émission de la première source de lumière 100, le premier faisceau lumineux 101 est tel qu’il émet au moins un premier rayon lumineux 111 de longueur d’onde λ1dite première longueur d’onde λ1selon une première direction d’émission 110. En pratique, le premier faisceau lumineux 101 émet typiquement une pluralité de rayons dont les longueurs d’onde forment un continuum. La première direction d’émission 110 se caractérise par le fait que tout vecteur directeur de cette première direction d’émission 110 présente une composante non nulle selon la première direction x et/ou la deuxième direction y. En d’autres termes, la première direction d’émission 110 n’est pas parallèle à la direction longitudinale.
Comme mentionné en introduction, un objectif de la présente demande est de rediriger les rayons lumineux déviant de la direction longitudinale afin qu’ils participent à l’intensité lumineuse perçue par l’utilisateur.
La présente invention prévoit donc la présence d’au moins un premier réflecteur 150 bordant au moins en partie la première source de lumière 100. Le premier réflecteur 150 est configuré pour réfléchir le premier rayon lumineux 111 se propageant selon la première direction d’émission 110. Le premier rayon lumineux 111 est réfléchi selon une première direction de réflexion 120 dont tout vecteur directeur présente une composante non nulle selon la première direction x et/ou la deuxième direction y. En fonction de la présence ou non d’autres réflecteurs autour de la source de lumière 100, de l’étendue du premier réflecteur 150 autour de la première source de lumière 100 et de la hauteur de l’au moins un premier réflecteur 150, le premier rayon lumineux 111 peut alors être renvoyé en direction d’une autre paroi du réflecteur 150 ou d’une paroi d’un autre réflecteur et être à nouveau réfléchi, ou bien ne plus être réfléchi par le dispositif 1. Ainsi, avantageusement, et éventuellement après plusieurs réflexions contre le premier réflecteur 150 et/ou d’autres réflecteurs, le premier rayon lumineux 111 est extrait du dispositif 1 et vient participer à l’intensité totale perçue par l’observateur.
Selon un mode de réalisation, le premier réflecteur 150 fonctionne comme un miroir, c’est-à-dire que la première direction d’émission 110 et la première direction de réflexion 120 sont symétriques par rapport à un plan normal à un plan du premier réflecteur 150. Ce plan du premier réflecteur 150 peut être défini de plusieurs manières et peut notamment être défini localement. Par exemple, si les nanofils passifs 151 du premier réflecteur 150 sont arrangés en rangées rectilignes, le plan du premier réflecteur 150 est défini comme le plan comprenant les axes de symétrie selon z des nanofils passifs 151 de la rangée de nanofils passifs 151 bordant la première source de lumière 100. Si les premiers nanofils passifs 151 du premier réflecteur 150 sont arrangés en rangées formant des arcs de cercle, on peut définir au niveau du point d’incidence du premier rayon lumineux 111 avec le premier réflecteur 150 le plan du premier réflecteur 150 comme le plan tangent à l’arc de cercle défini par la rangée de premiers nanofils passifs 151 bordant la première source de lumière 100.
Selon un autre mode de réalisation, le premier réflecteur 150 ne fonctionne pas comme un miroir mais comme un découpleur. Dans cet exemple, le premier rayon lumineux 111 n’est pas réfléchi de façon symétrique par le premier réflecteur 150. Ce mode de réalisation est illustré à la figure 5. On envisage plus particulièrement dans cette figure un cas dans lequel les premiers nanofils passifs 151 sont disposés en rangées rectilignes parallèles et orientées selon la direction y. La figure 5 est une vue en coupe selon le plan xz de la réflexion du premier rayon lumineux 111 par le premier réflecteur 150. Le premier rayon lumineux 111 se propage selon une première direction d’émission 110 pouvant être définie par un premier vecteur directeur d’émission. Ce premier vecteur directeur d’émission admet dans le plan xz une projection orthogonale notée . De la même façon, après réflexion, le premier rayon lumineux 111 se propage selon une première direction de réflexion 120 pouvant être définie par un premier vecteur directeur de réflexion admettant dans le plan xz une projection orthogonale notée . Ces deux projections orthogonales forment respectivement un premier angle d’émission et un premier angle de réflexion avec la direction z. Dans le cas précédemment décrit d’un premier réflecteur 150 agissant tel un miroir, ces angles sont égaux. Au contraire, dans une fonction de découplage, le premier réflecteur permet de dévier le premier rayon lumineux de sorte que ≠ . Dans un objectif d’optimisation de l’extraction lumineuse, le premier réflecteur 150 est configuré pour que la première direction de réflexion soit proche de la direction z. Ainsi, le premier angle de réflexion est de préférence inférieur à 20°, et de manière encore plus avantageuse inférieur à 10°.
Ce même phénomène de découplage peut être prévu dans le plan yz.
Comme mentionné précédemment, la première source de lumière 100 émet typiquement une pluralité de faisceaux lumineux correspondant à un continuum de longueurs d’ondes. Ainsi, le premier réflecteur 150 est avantageusement configuré pour réfléchir une pluralité de longueurs d’onde. Typiquement, il permet de réfléchir l’intégralité des longueurs d’onde comprises dans une plage donnée. Par exemple, si la première source de lumière 100 fait partie d’un sous-pixel de couleur bleue, le premier réflecteur 150 peut être configuré pour réfléchir les longueurs d’ondes comprises entre 430 nm et 470 nm. Pour que le premier réflecteur 150 réfléchisse une pluralité de longueurs d’ondes, on prévoit avantageusement que le diamètre des premiers nanofils passifs 151 et le pas entre premiers nanofils passifs 151 voisins change avec la distance à la première source de lumière 100.
Avantageusement, le premier réflecteur 150 est disposé sur le substrat 2 de manière à entourer intégralement la première source de lumière 100 dans le plan xy. Ce mode de réalisation illustré aux figures 2A à 2E permet de réfléchir un plus grand nombre de rayons lumineux qui, sans la présence d’un réflecteur, n’auraient pas été extraits du dispositif 1, et donc d’améliorer encore la directivité du premier faisceau lumineux 101. Préférentiellement, en entourant intégralement la première source de lumière 100, le au moins un premier réflecteur 150 forme une cavité de forme rectangulaire autour de la première source de lumière 100. Une telle cavité s’apparente à l’association de deux cavités de type Fabry-Perot disposées dans des directions orthogonales. Cette cavité présente avantageusement une largeur W inférieure à 1 μm (1 μm = 10-6m).
Le premier réflecteur 150 comporte avantageusement une pluralité de premiers nanofils passifs 151 s’étendant depuis la face supérieure 20 du substrat 2. On entend par « nanofil passif » un nanofil n’émettant pas de rayonnement lumineux. Les nanofils passifs 151 sont typiquement des nanofils similaires à des nanofils actifs mais ne sont pas connectés électriquement. Les premiers nanofils passifs 151 forment de préférence un cristal photonique s’étendant sur le substrat 2, par exemple un miroir de Bragg. Le cristal photonique formé par l’ensemble des premiers nanofils passifs 151 du premier réflecteur 150 peut être décrit par plusieurs paramètres et notamment :
  • le pas de réseau,
  • le taux de remplissage, aussi appelé taux d’ouverture ou densité, généralement compris entre 10 et 90%,
  • le type de maille (hexagonal, carré…),
  • l’indice de réfraction d’un éventuel matériau de remplissage entre les nanofils, couramment appelé « filler » (terme anglais se traduisant par « remplisseur »), préférentiellement compris entre 1 et 1,7, et
  • les dimensions des nanofils.
Dans le cas où le premier réflecteur est utilisé comme miroir, les caractéristiques du premier réflecteur 150 à cristal photonique sont définies de façon à ce que la bande d’arrêt spectral, parfois désignée par le terme anglais « stopband », du premier réflecteur 150 à cristal photonique comprenne la première longueur d’onde λ1. Doivent notamment être ajustés en fonction de la première longueur d’onde λ1le pas et le diamètre des premiers nanofils passifs 151 du premier réflecteur 150.
Dans le cas où le premier réflecteur est utilisé comme découpleur, ces caractéristiques sont ajustées en fonction des angles de réflexion que l’on souhaite imposer. Plus précisément, ces caractéristiques sont définies de façon à ce que les modes optiques supportés par le cristal photonique du premier réflecteur 150 à la première longueur d’onde λ1se trouvent au-dessus du cône de lumière défini par la relation suivante :
[Math 2]
avec
la constante de propagation du faisceau lumineux dans l’air, ω la pulsation du faisceau lumineux incident et c la vitesse de la lumière. Si un faisceau lumineux incident présente une orientation se trouvant à l’extérieur du cône d’extraction, il sera entièrement réfléchi et il n’y aura pas de rayon réfracté (phénomène de réflexion totale).
Pour éviter un phénomène de réflexion totale, le sommet des nanofils peut être recouvert par une couche induisant une certaine topographie et donc un phénomène de diffusion associé. Cette couche est dite couche diffusive. Elle permet d’éviter ou de limiter le phénomène de réflexion totale. Le faisceau incident peut ainsi être réfléchi puis diffusé ou réfracté. Pour des faibles angles d’incidence, des réflexions successives du faisceau incident entre les miroirs peuvent se produire avant diffusion ou réfraction. L’extraction des faisceaux de faibles incidences est ainsi améliorée. La couche diffusive peut être typiquement à base de TiO2. Selon une possibilité, la topographie des sommets, par exemple présentant une forme pyramidale, agit comme une telle couche diffusive et améliore l’extraction lumineuse.
Les différents fils (premiers nanofils actifs 130, premiers nanofils passifs 150) sont de préférence formés au travers d’une couche de masquage 23 masquant en partie la couche de nucléation 22 et comprenant des ouvertures de préférence circulaires définies de manière à obtenir les différents diamètres de fils et les différents arrangements ou réseaux souhaités. Chaque ouverture dans la couche de masquage 23 permet en effet une croissance localisée d’une structure 3D à partir de la couche de nucléation 22.
La couche de masquage 23 est de préférence en un matériau diélectrique, par exemple en nitrure de silicium Si3N4. Elle peut être déposée par dépôt chimique en phase vapeur CVD (acronyme de « Chemical Vapor Deposition ») sur la couche de nucléation 22. Les ouvertures peuvent être réalisées par exemple par lithographie UV ou DUV (acronyme de Deep UV), par lithographie par faisceau électronique ou par NIL (acronyme de Nanoinprint lithography). Elle peut être retirée après croissance des différents fils, par exemple par gravure sélective.
Le dispositif décrit permet d’obtenir un effet de cavité même pour des sous-pixels de dimensions très faibles. Cet effet est en effet obtenu pour des largeurs de cavité aussi faibles que 1 μm.
Le dispositif permet avantageusement de décorréler les caractéristiques propres à la source, telles que la longueur d’onde d’émission, des caractéristiques propres à l’extraction ou à la mise en forme de la lumière émise par cette source. En utilisant différents nanofils pour la source et les réflecteurs, il est ainsi possible de former une partie émissive et une cavité résonante sensiblement indépendantes. Les combinaisons envisageables entre la source et les réflecteurs sont ainsi plus nombreuses. Cela permet d’envisager un grand nombre de configurations technologiques, en fonction des applications visées.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif optoélectronique 1 comprend une deuxième source de lumière 200 disposée sur la face supérieure du substrat et adjacente à la première source de lumière 100. Les deux sources de lumière 100, 200, peuvent être assimilées à deux sous-pixels adjacents d’un écran d’affichage. Il peut s’agir de deux sous-pixels appartenant à un même pixel ou de deux sous-pixels appartenant chacun à un pixel distinct.
La deuxième source de lumière 200 est configurée pour émettre un deuxième faisceau lumineux 201 étant, comme le premier faisceau lumineux 101, avantageusement configuré pour être principalement émis selon la direction longitudinale. Le deuxième faisceau lumineux 201 est par exemple omnidirectionnel et présente typiquement un profil lambertien. Le deuxième faisceau lumineux 201 émet au moins un deuxième rayon lumineux 211 de longueur d’onde λ2dite deuxième longueur d’onde λ2selon une deuxième direction d’émission 210. Cette deuxième direction d’émission 210 se caractérise par le fait que tout vecteur directeur de cette deuxième direction d’émission 210 présente une composante non nulle selon la première direction x et/ou la deuxième direction y.
La deuxième source de lumière 200 comprend préférentiellement au moins un deuxième nanofil actif 230 s’étendant depuis la face supérieure 20 du substrat 2. Elle est bordée par un deuxième réflecteur 250 comprenant avantageusement une pluralité de deuxièmes nanofils passifs 251 s’étendant depuis la face supérieure 20 du substrat 2. Les deuxièmes nanofils passifs forment un cristal photonique pouvant être décrits de la même façon que le cristal photonique formé par les premiers nanofils passifs 150.
Les deuxièmes nanofils actifs 230 et les deuxièmes nanofils passifs 251 sont de préférence eux aussi formés à travers des ouvertures dans l’éventuelle couche de masquage 23, comme décrit pour les premiers nanofils actifs 130 et les premiers nanofils passifs 151.
Le deuxième réflecteur 250 est configuré pour réfléchir le deuxième rayon lumineux 211 se propageant selon la deuxième direction d’émission 210. Le deuxième rayon lumineux 211 est réfléchi selon une deuxième direction de réflexion 220 dont tout vecteur directeur présente une composante non nulle selon la première direction x et/ou la deuxième direction y. Comme décrit pour le dispositif à une seule source de lumière, le deuxième rayon lumineux 211 est ainsi extrait du dispositif 1 et participe à l’intensité totale perçue par l’observateur.
Les caractéristiques du premier réflecteur 150 à cristal photonique s’adaptent mutatis mutandis au deuxième réflecteur 250 à cristal photonique. Notamment, si le deuxième réflecteur 250 est utilisé comme miroir, ces dernières sont définies de façon à ce que la bande d’arrêt spectral, parfois désignée par le terme anglais « stopband », du deuxième réflecteur 250 à cristal photonique comprenne la deuxième longueur d’onde λ2. Doivent notamment être ajustés en fonction de la deuxième longueur d’onde λ2, le pas et le diamètre des deuxièmes nanofils passifs 251 du deuxième réflecteur 250.
De la même façon que le premier réflecteur 150, le premier réflecteur peut être configuré pour être utilisé comme découpleur.
La première source de lumière 100 et la deuxième source de lumière 200 sont séparées par une zone de transition comprenant le premier réflecteur 150 et le deuxième réflecteur 250. Cette zone de transition permet ainsi d’isoler la première source de lumière 100 des rayons émis par la deuxième source de lumière 200, et inversement.
Les premiers nanofils passifs 151 et/ou les deuxièmes nanofils passifs 251 peuvent avantageusement présenter un diamètre et/ou un pas entre nanofils 151, 251 croissant ou décroissant progressivement en s’éloignant de la première source de lumière et/ou de la deuxième source de lumière respectivement. Par variation progressive du diamètre des nanofils 151, 251 ou du pas entre ces nanofils 151, 251, on entend, selon la disposition des nanofils 151, 251 dans le plan xy, que ces paramètres varient dans des proportions bornées entre nanofils voisins. Typiquement, on prévoit que les nanofils 151, 251 présentent un diamètre compris entre 3% et 13% de celui de leur plus proche voisin. Dans le cas où les nanofils 151, 251 sont disposés en rangées parallèles, on prévoit typiquement que le pas entre une rangée et l’une des deux rangées lui étant adjacentes est compris entre 2% et 4% de celui séparant cette même rangée et l’autre des deux rangées lui étant adjacentes.
Il est envisageable de faire en sorte que le premier réflecteur 150 et le deuxième réflecteur 250 recouvrent des zones disjointes au sein de la zone de transition. Dans ce cas de figure, on prévoit avantageusement que ces zones disjointes soient adjacentes et que les premiers nanofils passifs 151 du premier réflecteur 150 bordant le deuxième réflecteur et les deuxièmes nanofils passifs 251 du deuxième réflecteur 250 bordant le premier réflecteur 150 présentent des diamètres sensiblement égaux.
Il est également envisageable qu’une partie du premier réflecteur 150 coïncide avec une partie du deuxième réflecteur 250.
Comme illustré au travers des exemples précédents, les dispositifs selon l’invention permettent d’améliorer la directivité du faisceau émis par une source de lumière type LED, et donc d’améliorer l’extraction lumineuse.
L’invention n’est cependant pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits.
En particulier, le nombre, la forme et la disposition de chaque élément du dispositif peut être adapté en fonction des besoins d’affichage.

Claims (21)

  1. Dispositif optoélectronique (1) comprenant :
    • un substrat (2) présentant une face supérieure (20) s’étendant selon un plan dit plan basal défini par une première direction (x) et une deuxième direction (y),
    • au moins une première source de lumière (100) disposée sur la face supérieure (20) et configurée pour émettre un premier faisceau lumineux (101) émettant au moins à une première longueur d’onde λ1, ledit premier faisceau lumineux (101) étant émis au moins selon une direction appelée première direction d’émission (110) dont un premier vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon au moins l’une parmi la première direction (x) et la deuxième direction (y),
    ledit dispositif (1) étant caractérisé en ce que :
    • il comprend en outre au moins un premier réflecteur (150) bordant au moins en partie la première source de lumière (100), configuré pour réfléchir selon une première direction de réflexion (120) des premiers rayons lumineux (111) de première longueur d’onde λ1émis selon la première direction d’émission (110),
    • l’au moins un premier réflecteur (150) comprend une pluralité de premiers nanofils passifs (151) s’étendant depuis la face supérieure (20) du substrat.
  2. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication précédente, dans lequel la première source de lumière (100) est une source de lumière incohérente.
  3. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premiers nanofils passifs (151) présentent un diamètre décroissant ou croissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une première source de lumière (100).
  4. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premiers nanofils passifs (151) sont agencés selon un premier pas constant p1selon au moins l’une parmi la première direction (x) et la deuxième direction (y).
  5. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premiers nanofils passifs (151) sont agencés selon un pas croissant ou décroissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une première source de lumière (100).
  6. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une première source de lumière (100) comprend au moins un premier nanofil actif (130) présentant un premier diamètre φ01et comprenant une première région active (131) configurée pour émettre les premiers rayons lumineux (111) de première longueur d’onde λ1.
  7. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication précédente, dans lequel le premier diamètre φ01de l’au moins un premier nanofil actif est inférieur à 5 µm.
  8. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel les premiers nanofils passifs (151) et l’au moins un premier nanofil actif (130) sont à base du même matériau.
  9. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un premier réflecteur (150) entoure intégralement, selon une projection sur le plan basal, la première source de lumière (100).
  10. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
    • Le premier vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon la première direction (x),
    • Le premier vecteur directeur d’émission présente une projection orthogonale dans un plan transversal défini par la première direction (x) et une troisième direction (z) normale au plan basal, dite premier vecteur projeté d’émission , formant un premier angle d’émission avec la troisième direction (z),
    • Un premier vecteur directeur de réflexion de la première direction de réflexion (120) présente une projection orthogonale dans le plan transversal, dite premier vecteur projeté de réflexion , formant un premier angle de réflexion avec la troisième direction (z),
    • La pluralité de nanofils passifs (151) est configurée pour réfléchir les premiers rayons lumineux (111) de sorte que le premier angle d’émission et le premier angle de réflexion soient distincts.
  11. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication précédente dans lequel le premier angle de réflexion est inférieur à 40°, de préférence inférieur à 20°.
  12. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins une deuxième source de lumière (200) adjacente à la première source de lumière (100), configurée pour émettre un deuxième faisceau lumineux (201) émettant à une deuxième longueur d’onde λ2, ledit deuxième faisceau lumineux (201) étant émis au moins selon une direction appelée deuxième direction d’émission (210) dont un deuxième vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon au moins l’une parmi la première direction (x) et la deuxième direction (y), lesdites première et deuxième sources de lumière (100, 200) étant séparées par une zone de transition (1000) comprenant l’au moins un premier réflecteur (150) et au moins un deuxième réflecteur (250), l’au moins un deuxième réflecteur (250) étant configuré pour réfléchir selon une deuxième direction de réflexion (220) des deuxièmes rayons lumineux (211) de deuxième longueur d’onde λ2, ledit au moins un deuxième réflecteur (250) comprenant une pluralité de deuxièmes nanofils passifs (251) s’étendant depuis la face supérieure du substrat (20).
  13. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième source de lumière est une source de lumière incohérente.
  14. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel les deuxièmes nanofils passifs (251) présentent un diamètre décroissant ou croissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une deuxième source de lumière (200).
  15. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel les deuxièmes nanofils passifs (251) sont agencés selon un deuxième pas constant p2selon au moins l’une parmi la première direction (x) et la deuxième direction (y).
  16. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel les deuxièmes nanofils passifs (251) sont agencés selon un pas croissant ou décroissant progressivement en s’éloignant de l’au moins une deuxième source de lumière (200).
  17. Dispositif optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel l’au moins une deuxième source de lumière (200) comprend au moins un deuxième nanofil actif présentant un deuxième diamètre φ02et comprenant une deuxième région active configurée pour émettre les deuxièmes rayons lumineux de deuxième longueur d’onde λ2.
  18. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication précédente, dans lequel le deuxième diamètre φ02du au moins un deuxième nanofil actif est inférieur à 5 µm.
  19. Procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique (1) comprenant une première source de lumière (100) et un premier réflecteur (150) comprenant lui-même une pluralité de premiers nanofils passifs (151), comprenant les étapes suivantes :
    • Fournir un substrat (2) présentant une face supérieure (20), s’étendant selon un plan dit plan basal défini par une première direction (x) et une deuxième direction (y) et comprenant une couche de nucléation (22) permettant la nucléation et la croissance des premiers nanofils passifs (151),
    • Faire croître les premiers nanofils passifs (151) depuis la face supérieure (20) du substrat (2) de sorte à former le premier réflecteur (150), le premier réflecteur (150) étant configuré pour réfléchir selon une première direction de réflexion (120) des premiers rayons lumineux (111) de première longueur d’onde λ1émis selon la première direction d’émission (110),
    • Former la première source de lumière (100) sur la face supérieure (20) du substrat (2), la première source de lumière (100) étant configurée pour émettre un premier faisceau lumineux (101) émettant au moins à la première longueur d’onde λ1, ledit premier faisceau lumineux (101) étant émis au moins selon une direction appelée première direction d’émission (110) dont un premier vecteur directeur d’émission présente une composante non nulle selon au moins l’une parmi la première direction (x) et la deuxième direction (y).
  20. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel :
    • la première source de lumière (100) comprend au moins un premier nanofil actif (130),
    • la couche de nucléation (22) permet la nucléation et la croissance de l’au moins un nanofil actif (130),
    • l’étape de formation de la première source de lumière (100) comprend une étape de croissance de l’au moins un premier nanofil actif (130) depuis la face supérieure (20) du substrat (2) de sorte à former la première source de lumière (100).
  21. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel l’étape de croissance des premiers nanofils passifs (151) et l’étape de croissance de l’au moins un premier nanofil actif (130) se font de manière simultanée.
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US20210066564A1 (en) * 2019-08-29 2021-03-04 Japan Display Inc. Display device
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