WO2012163899A1 - Structure semiconductrice destinée a émettre de la lumière et procede de fabrication d'une telle structure - Google Patents

Structure semiconductrice destinée a émettre de la lumière et procede de fabrication d'une telle structure Download PDF

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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the invention relates to the field of the provision of light emitting means and more particularly to the field of providing light emitting means in the range of ultraviolet (UV acronym).
  • UV acronym ultraviolet
  • the invention relates more particularly to a semiconductor structure for emitting light and to the method of manufacturing such a semiconductor structure.
  • a first track concerns semiconductor structures based on a semiconductor junction (generally known under the name pn junction) based on large gap-gap semiconductors, such as zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN).
  • ZnO zinc oxide
  • GaN gallium nitride
  • the exploitation of this type of semiconducting junction remains limited by the existing doping problems for large-gap semiconductor materials. Indeed, the activation energy of the dopants of such materials is often of the same order of magnitude or a value greater than the thermal energy at room temperature for at least one of the two types conductivities.
  • Another solution consists in generating an external electric field to obtain a carrier type inversion zone in one of the two zones of the junction.
  • This inversion of carriers is obtained by using a polarization gate of the zone to be reversed which is adapted so that its polarization causes an injection of majority carriers of the other zone in said zone.
  • Such an inversion of carriers allows to create in this same area a region conducive to the recombination of carriers and therefore to the emission of light, this region forming a "quasi- unction" semiconductor.
  • this region favorable for transmission is limited only by the polarized zone.
  • this region may be polarized away from the junction and non-radiative recombinant traps which may be present in the case of a hetero junction.
  • a quasi- junction is understood to mean a semiconductor junction formed by the creation in a material having a single conductivity type of a zone of a type of opposite conductivity, this, for example, by injecting minority carriers into said zone. .
  • the emitter region remains limited by the zones polarized by the gate, which is itself limited by the geometry of the anode and the cathode, and therefore does not make it possible to obtain a large surface area. of emission and therefore a great power of emission without combining a large number of semiconductor structures with each other.
  • One of the aims of the invention is to provide a semiconductor structure for emitting light using an external electric field at the junction for injecting minority carriers into a part of the semiconductor structure and thus inverting it at least partially the type of conductivity, said structure having a configuration allowing an optimization of the injection of minority carriers in said part so as to allow an improvement of the transmission efficiency with respect to an arrangement of the prior art.
  • the invention more precisely aims to provide a semiconductor structure for emitting light and which comprises a first and a second part in contact with each other so as to form a semiconductor junction, said junction being unsuitable for to emit light efficiently, this because of problems related to the doping technique of the material or materials constituting the structure or a high concentration of crystalline defects at said junction, said structure further comprising biasing means adapted to reverse the carrier type in one of the parts by injection into said majority carrier part of the other part, so as to move the joint in said part, said structure being configured to have a surface of emission superior to an earlier structure comprising such polarization means.
  • the invention relates to a semiconductor structure adapted to emit light comprising:
  • a substrate made of a first semiconductor material having a first conductivity type the substrate having a first and a second face, a first electrical contact on the first face,
  • At least one second semiconductor material having a second conductivity type forming a first part of the semiconductor structure and in electrical contact with a second part of the semiconductor structure having the first conductivity so as to form a junction
  • biasing means adapted to bias at least a part of the semiconductor structure among the first and the second part, the biasing means being arranged in such a way that its polarization causes a reversal of the carrier type in said part by injection into said part of majority carriers of the other part, so as to move the junction in said part,
  • the semiconductor structure comprising:
  • each micro- or nano-structure comprising at least one portion made in the second semiconductor material of to form the first part, or each micro- or nano-structure having the first conductivity with the second end in contact with the second semiconductor material, so as to form the junction,
  • each micro- or nanostructure comprises a part of said micro- or nano-structure of which the carrier type is intended to be inverted by the biasing means.
  • first conductivity type and a second conductivity conductivity type corresponding to a first type of majority carrier, respectively, which may be chosen from the group comprising electrons and holes, and to a second type of majority carrier different chosen in this same group.
  • semiconductor junction a transition zone between semiconductor regions of different electrical properties, such a zone being characterized by the existence of a potential barrier.
  • Such a semiconductor structure allows a reversal of the carrier type at the level of the second face and / or the plurality of nanostructures this in a 3D way, since each micro- or nano ⁇ structure has at least a part of the first and second part of the junction-forming structure, thereby significantly increasing the area in which the carrier type is inverted and thus in which recombinations of the electron-hole pairs can take place.
  • the "quasi-junction" is formed in at least a part of each of the micro- or nanostructures and may, depending on the configuration, also extend along the second face of the substrate. With such a “quasi-unction", the zones in which the radiative electron-hole pair recombinations can take place and thus the light emission zones are thus optimized.
  • the polarization means may comprise an insulating layer in contact with the part of the semiconductor structure to be polarized and a conductive layer on said insulating layer.
  • Such an insulating layer on which a conductive layer is deposited makes it possible to provide a means of polarization of at least a portion of the homogeneous semiconductor structure since it is provided by a conductive layer present on an insulating layer in contact with said portion of the semiconductor structure.
  • the insulating layer may be in contact with the areas of the second face left free by the micro- or nano-structures and on at least a portion of each micro- or nanostructure.
  • Such an insulator layer may allow a polarization of the entire part of the semiconductor structure to be polarized without risk of short circuit, the conductive layer may be deposited on this insulating layer without risk of short circuit with the said part of the semiconductor structure.
  • Such an arrangement of the insulating layer also allows, with a suitable micro-and nano-structure configuration, a polarization of the part whose carrier type is not reversed, thus facilitating the injection of minority carriers in the part to be reversed.
  • the conductive layer may be adapted to be at least partially transparent to the wavelength at which the semiconductor structure is intended to emit.
  • the emitting light can be transmitted through the conductive layer.
  • the conductive layer may advantageously be indium tin oxide (ITO), a thin metal so as to render it at least partially transparent to the emission wavelength of the semiconductor structure or a transparent semiconductor. at the emission wavelength of the semiconductor structure and having a high doping so as to make it degenerate and therefore conductive.
  • ITO indium tin oxide
  • the insulating layer may be made of a material selected from the group consisting of silicon dioxide (SiO 2 ) and high-k dielectrics, such as hafnium dioxide (HfC 2 ).
  • Each micro- or nano-structure may have at least one reduced dimension according to one of directions substantially parallel to the second face so as to form a 2D microstructure or nanostructure, preferably 1D.
  • micro- or nano-structure 2D, or 1D is meant a micro- or nanostructure of which one dimension, or two dimensions, is smaller or of the same order of magnitude than the corresponding free electronic mean path of the material or materials composing said micro- or nano-structure
  • Such a reduced dimension allows both a quantum confinement and an optimization of the region of the substrate which is influenced by the inversion of the carrier type, while limiting the shading zones related to the presence of micro- or nanoparticles. structures, these areas of shading being only on this reduced dimension.
  • Each micro or nanostructure may be a semiconductor nanowire.
  • micro- or nanostructures can be easily obtained at once by epitaxial growth over the entire substrate surface, thus limiting the number of manufacturing steps and therefore the costs of providing a semiconductor structure according to the invention.
  • each micro- or nano-structure may have a conductivity of the same type as that of the first semiconductor material so as to form the second part, the second end of each of the micro- or nano-structures being in contact with the second semiconductor material.
  • Such micro- or nanostructures can be obtained in a single growth step, thus limiting the steps necessary for the supply of a semiconductor structure according to the invention.
  • each micro or nano-structure may have:
  • each of the micro- or nano-structures makes it possible to provide a semiconductor structure having the junction at the level of the micro- or nanostructures, thus making it possible, for a suitable biasing means, to polarize both the inverted portion and the the non-inverted portion of each of the micro- or nanostructures. Indeed, such a configuration allows the optimization of the injection of minority carriers in the area to be reversed.
  • each micro- or nano-structure may be entirely made in the second semiconductor material so as to form the first part.
  • the structure has the junction closest to the surface of the substrate thus allowing an optimized type of carrier inversion at the second face.
  • Each micro- or nano-structure may comprise a fraction of a so-called wetting layer in contact with the substrate, this fraction of the wetting layer forming the first end of said micro- or nano-structure.
  • the part to be reversed is formed by the micro- or nano-structures, the inversion of the type of carriers can therefore take place on the whole of each of the micro- or nano-structures, the layer of wetting included.
  • At least one portion of the nanowire may comprise a "core-shell” type conformation, that is to say that the portion of the nanowire consists of at least two semiconductor materials, one, said core material, forming the center of said portion of the nanowire and the other, said shell material, surrounding the core material so as to form the outer contour of the nanowire portion.
  • Such a conformation allows a portion of nanowire, preferentially selected as that being included in the inverted part of the semiconductor structure, to have a better quantum confinement in the core material with an interface between the core material and the shell material having a weak non-radiative trap density, thus increasing the emission efficiency of such a nanowire.
  • the nanowire may have a single nanowire portion having a "core-shell" conformation, said nanowire portion being a portion selected from the group comprising the first portion and the second portion.
  • the junction can be a hetero unction.
  • Such a junction makes it possible to use the qualities of a semiconductor material having a gap suitable for emitting at the chosen wavelength without requiring that the same material be able to present both types of conductivity in order to form the junction.
  • the portion of the semiconductor structure of the first and second portion having a conductivity whose majority carriers are electrons may be made of a semiconductor material having n-type doping, said semiconductor material being preferably selected from the group consisting of zinc oxide (ZnO), manganese zinc oxide (ZnMgO), gallium nitride (GaN), gallium aluminum nitride (AlGaN).
  • ZnO zinc oxide
  • ZnMgO manganese zinc oxide
  • GaN gallium nitride
  • AlGaN gallium aluminum nitride
  • Such semiconductor materials allow, by the energy of their bandgap and the fact that they have a direct gap, an emission in the range of UV.
  • the part of the semiconductor structure of the first and the second part having a conductivity whose majority carriers are holes can be made of a semiconductor material having a p-type doping, said semiconductor material being preferentially selected from the group consisting of gallium nitride (GaN), zinc selenide (ZnSe) and zinc telluride (ZnTe).
  • GaN gallium nitride
  • ZnSe zinc selenide
  • ZnTe zinc telluride
  • Such semiconductor materials allow, by the energy of their bandgap and the fact that they have a direct gap, an emission in the range of UV.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a semiconductor structure according to the invention, said manufacturing method comprising the steps of:
  • a substrate made of a first semiconductor material having a first conductivity type said substrate having a first and a second face
  • each of the micro- or nano-structures having a first and a second end with each of the first ends connected to the second face, each micro- or nanostructure comprising at least one portion made in a second semiconductor material having, or being able to present by the action of a doping material, a conductivity of a second type so as to form a first part of the semiconductor structure with the substrate and / or another portion of each of the micro- or nanostructures forming a second portion of the semiconductor structure, or each micro- or nanostructure having the first type of conductivity and at least partially forming a second part of the semiconductor structure,
  • biasing means adapted to bias at least a portion of the first and second portions, the biasing means being arranged such that its polarization results in a reversal of the carrier type in said portion,
  • each micro- or nano-structure has the first conductivity type and forms at least partially the second part of the structure, a second semiconductor material so as to form a first part of the semiconductor structure,
  • Such a method allows the formation of a semiconductor structure capable of optimally transmitting light in UV wavelengths, the contact between the first and the second part allowing the formation of the junction.
  • the method can be a method of manufacturing a semiconductor structure whose biasing means comprises an insulating layer in contact with the part of the semiconductor structure to be polarized and a conductive layer on said semiconductor layer. insulation, the step of forming a polarization means comprising the steps of:
  • Such a method makes it possible to provide a semiconductor structure with a polarization means providing a homogeneous polarization over the entire portion of the semiconductor structure to be polarized.
  • the method may comprise after the step of forming bias means and prior to the step of making the second electrical contact, the steps of further comprising:
  • Such steps allow the deposition of a filling material, this filling material for the provision of a support for the deposition of another material, such as a doping material or the second semiconductor material.
  • the deposition of filling material can be carried out in such a way that the space between the micro- or nano- structures is completely filled, the second end of each of the micro- or nano-structures flush with the filler material.
  • the manufacturing method may be for the manufacture of a semiconductor structure in which each micro or nano-structure has:
  • the method comprising, after the step of forming bias means and before the step of making the second electrical contact, the steps of:
  • a layer of doping material such as a polymer containing doping ions, said layer being deposited so that the second end of each of the micro- or nanostructures is flush,
  • Such steps allow the provision of a structure of which at least a portion of each of the micro- or nanostructures is doped with a doping material.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of a semiconductor structure according to the invention, said semiconductor structure comprising nanowires having the same type of conductivity as the substrate,
  • FIGS. 2 a) to d) illustrate the method of manufacturing and transmitting a semiconductor structure according to the first embodiment
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of a semiconductor structure according to the invention, said structure semiconductor comprising nanowires having a conductivity of a type other than that of the substrate
  • FIGS. 4 a) to d) illustrate the method of manufacture and emission of a semiconductor structure according to the second embodiment
  • FIG. 5 illustrates a third embodiment of a semiconductor structure according to the invention, said structure semiconductor comprising nanowires having a first portion of a first conductivity type and a portion of a second conductivity type, the gate being present over the entire length of the nanowires
  • FIGS. 6 a) to d) illustrate a method of manufacturing and transmitting a semiconductor structure according to the third embodiment
  • FIG. 7 illustrates a fourth embodiment of a semiconductor structure according to the invention, said semiconductor structure comprising nanowires having a first portion of a first conductivity type and a portion of a second conductivity type; grid being present on a single portion of the nanowire,
  • FIGS. 8 a) to e) illustrate a method for manufacturing and transmitting a semiconductor structure according to the fourth embodiment
  • FIG. 9 illustrates a fifth embodiment according to the invention, said semiconductor structure comprising nanowires comprising each a wetting layer portion and having a conductivity of a type other than that of the substrate
  • Figures 10 a) to d) illustrate a method of manufacturing and transmitting a semiconductor structure according to the fifth embodiment
  • FIGS. 11 a) to c) illustrate alternative embodiments of a semiconductor structure according to the invention, the semiconductor structure according to these variant embodiments comprising nanowires having at least one portion of nanowire of the "core-shell" type
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a first embodiment of a semiconductor structure 1 according to the invention.
  • Such a semiconductor structure 1 is a semiconductor structure 1 for emitting light. Such a semiconductor structure 1 is more particularly adapted to emit in the wavelengths of near UV and deep UV.
  • a semiconductor structure according to this first embodiment 1 comprises: a semiconductor substrate 100 made of a first semiconductor material 10 having a conductivity whose majority carriers are electrons, that is to say n-type, the semiconductor substrate 100 having a first and a second face 110, 120,
  • nanowires 200 connected to the second face 120, said nanowires 200 having the same type of conductivity as the semiconductor substrate 100, each of the nanowires 200 having a first and second end 210, 220,
  • the substrate 100 is a semiconductor substrate conventionally used for producing emitting structures and capable of exhibiting n-type conduction.
  • the first semiconductor material 10 forming the semiconductor substrate 100 is preferably a so-called large gap semiconductor.
  • Large gap means that the semiconductor material has a band gap energy greater than 1.5eV.
  • the first semiconductor material 10 may be gallium nitride (GaN), gallium aluminum nitride (AlGaN) or gallium arsenide (GaAs). So that the semiconductor substrate 100 has the conductivity n, the first semiconductor material 10 is n-doped.
  • the first electrical contact 30 is preferably an n-type electrical contact so as to limit the electrical resistance with the first semiconductor material 10.
  • the nanowires 200 are connected to the semiconductor substrate 100 on the second face 120. Each nanowire 200 has its first end 210 in contact with the second face 120.
  • Each of the nanowires 200 is made of a 201 gap-gap type semiconductor material having n-type doping.
  • direct gap semiconductor material is meant a semiconductor whose maximum energy of the valence band and the minimum of energy of the conduction band are at a value of the wave vector k substantially also in the energy dispersion diagram of said semiconductor material.
  • the semiconductor material 201 in which the nanowires 200 are made is adapted to the desired emission wavelength of the semiconductor structure 1.
  • the semiconductor material 201 The nanowires 200 may be zinc oxide (ZnO) or gallium nitride (GaN).
  • the semiconductor material 201 forming the nanowires 200 may be zinc oxide manganese (ZnMgO) or gallium aluminum nitride (AlGaN).
  • the semiconductor material 201 in which the nanowires 200 are made can advantageously be the same as the first semiconductor material 10.
  • the nanowires 200 preferentially have a diameter of between 5 nm and 1 pm for a length of between 50 nm and 10 pm.
  • the nanowires 200 form with the second face 120 a second portion 1a of the semiconductor structure 1.
  • the layer of insulating material 310 covers both the zones 121 of the second face 120 left free by the nanowires 200 and a portion of the periphery 230 of the nanowires 200 leaving free the second end 220 of each of the nanowires 200.
  • the insulating material forming the layer of insulating material 310 may be silicon dioxide (SiO 2 ), and high-k dielectrics, such as hafnium dioxide (HfC> 2), for example.
  • high k dielectric is meant a dielectric having a higher dielectric constant than that of silicon dioxide.
  • the layer of insulating material has a thickness of between 5 nm and 50 nm.
  • the conductive layer 320 is preferably adapted to be transparent to the emission wavelength of the semiconductor structure 1.
  • the conductive layer 320 may be an indium tin oxide layer (also known by the acronym ITO ) or any other conductive and transparent material known to those skilled in the art.
  • the conductive layer 320 and the layer of insulating material 310 form a polarization means arranged so that its polarization causes a reversal of the carrier type in said portion (la, lb) by injection in said portion (la, lb) of majority carriers of the other party (lb, la), so as to move the junction in said part,
  • the filler material 400 may be a dielectric material, such as silicon dioxide or a "low k” dielectric material.
  • dielectric "low k” is meant a dielectric having a dielectric constant lower than that of silicon dioxide.
  • This filling material 400 may be, to facilitate the method of manufacturing such a semiconductor structure 1, a material of the "Spin On Glass” type, that is to say a dielectric material adapted to be deposited by means of a centrifuge. Indeed, the deposition by centrifugation of such a material makes it possible to fill easily and effectively the spaces left vacant between the nanowires 200.
  • the second end 220 of each of the nanowires 200 is flush with the layer of filling material 400 and is in contact with the second semiconductor material 20.
  • the second semiconductor material 20 takes the form of a layer 500 in contact with the second end 220 of each of the nanowires 200 so as to form the junction 50.
  • the second semiconductor material 20 is a semiconductor material having a conductivity whose majority carriers are holes, that is to say that the second semiconductor material 20 has a p-type doping.
  • the second semiconductor material 20 is preferably a large-gap semiconductor whose energy of the forbidden band is close to that of the semiconductor material 201 constituting the nanowires 200.
  • the second semiconductor material 20 may be gallium nitride (GaN), the zinc selenide (ZnSe) and zinc telluride (ZnTe).
  • the second semiconductor material 20 may be, without departing from the scope of the invention, the same material as the semiconductor material 201 forming the nanowires 200 with a p-type conductivity, so that the junction 50 is a homo junction, or other semiconductor material, this so that the junction 50 is a heterojunction.
  • the second semiconductor material 20 forms a first portion 1b of the semiconductor structure 1.
  • the second electrical contact 40 is a p-type electrical contact so as to limit the electrical resistance with the second semiconductor material 20.
  • the method of manufacturing such a semiconductor structure 1 comprises, as illustrated in Figures 2 a) to c), the steps of:
  • etching such as a reactive ion etching (RIE)
  • RIE reactive ion etching
  • the layer of insulating material 310 and the conductive layer 320 of the second end 220 of each of the nanowires 200 and over part of the around 230 of each of the nanowires 200 near the second end 220 depositing, for example by centrifugation if the filling material is a material of the "spin on glass" type, the filling material 400 so that the second end 220 of each of the nanowires 200 is flush with the surface of the filling material be flat,
  • RIE reactive ion etching
  • the semiconductor structure 1 is able to emit light whose wavelength is defined by the material 201 of the nanowires 200.
  • This emission is obtained by a polarization of the junction 50 in direct, that is to say that the second electrical contact 40 is positively polarized relative to the first electrical contact 30.
  • This bias can have a value between IV and 30V, this value to be adapted to the semiconductor materials 10, 20, 201 to form the semiconductor structure 1.
  • the conductive layer 320 is negatively biased relative to the first electrical contact 30.
  • This polarization can have a value -V between -IV and -30V, this value to be adapted to the semiconductor material 201 constituting the nanowires.
  • the polarization of the electric layer 320 makes it possible, if it is sufficient, to create a carrier-type inversion in the second part la of the semiconductor structure 1, that is to say at the level of the nanowires 200 and the second face 120.
  • the carrier reversal in the second part la obtained by injection of majority carriers of the first part 2a in the first part by means of said polarization, makes it possible to move the junction in the second zone at the level of said inversion zone by forming a "quasi-junction".
  • This inversion zone extending over the entire length of the nanowire 200 makes it possible to create a zone favorable to electron-hole recombination in which the recombination of the electron-hole pairs gives rise to the emission of light and thus the zone of light.
  • this recombination takes place at a distance from the junction 50 between the semiconductor material 201 forming the nanowires 200 and the second semiconductor material 20, and is thus at a distance from this same interface between these two materials 201, which is generally rich. in non-radiative recombinant defects thus optimizing the yield of the semiconductor structure 1.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a second embodiment of a semiconductor structure 1 according to the invention.
  • a semiconductor structure 1 according to this second embodiment differs from that 1 according to the first embodiment in that each nanowire 200 is entirely made in the second semiconductor material 20 so as to form the first part 1b of the semiconductor structure 1 and in that the semiconductor structure 1 does not include a layer 500 of second semiconductor material 20, the second electrical contact 40 being made in contact with the second end 220 of each of the nanowires 200.
  • the junction 50 is present at the interface between the first end 210 of each of the nanowires 200 and the second face 120, the second face 120 forming the second part la of the semiconductor structure 1.
  • the first semiconductor material 10 is selected according to the desired emission wavelength of the semiconductor structure 1.
  • the first semiconductor material 10 can be zinc oxide (ZnO) or gallium nitride (GaN).
  • the first semiconductor material 10 may be zinc manganese oxide (ZnMgO) or gallium aluminum oxide (AlGaN).
  • the second semiconductor material 20 is preferably a large gap semiconductor whose energy of the forbidden band is close to that of the first semiconductor material 10.
  • the method of manufacturing a semiconductor structure 1 according to this embodiment, as illustrated in FIGS. 4 a) to c), differs from a method of manufacturing a semiconductor structure 1 according to the first embodiment. in that it does not include a step of depositing a layer 500 of the second semiconductor material 20 and in that the step of making a second electrical contact 40 is made in contact with the second end 220 of each of the nanowires 200.
  • FIG. 5 illustrates a third embodiment of a semiconductor structure 1 according to the invention, such a semiconductor structure 1 is different from a semiconductor structure 1 according to the second embodiment in that each of the nanowires 200 comprises a first portion. 250 in a semiconductor material 201 'of the same conductivity type as the first semiconductor material 10 and a second portion 260 in the second semiconductor material 20, the interface between these two portions 250, 260 forming the junction 50 of the semiconductor structure 1.
  • the second portion 260 forms the first portion 1b of the semiconductor structure 1, the first portion 250 and the second face 120 forming the second portion 1a.
  • the semiconductor material 201 'of the first portion 250 is a large gap gap semiconductor.
  • the semiconductor material 201 'of the first portion may advantageously be a material substantially identical to the first semiconductor material 10.
  • the semiconductor material 201 'of the first portion 250 is adapted to the desired emission wavelength of the semiconductor structure 1.
  • the semiconductor material 201' of the first portion 250 may be zinc oxide (ZnO) or gallium nitride (GaN).
  • the semiconductor material 201 'of the first portion 250 may be the oxide of zinc manganese (ZnMgO) or gallium aluminum nitride (AlGaN).
  • the light emission with a semiconductor structure 1 according to the third embodiment is obtained, as shown in Figure 6 d), similarly to that of a semiconductor structure 1 according to the first embodiment.
  • Figure 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor structure 1 according to a fourth embodiment.
  • Such a semiconductor structure 1 differs from a semiconductor structure 1 according to the third embodiment in that the first portion 250 and the second portion 260 of each nanowire 200 are both produced in one and the same embodiment.
  • the semiconductor structure 1 has a doping polymer 450 filling the space between the nanowires 200 to level of their second portion 260.
  • the second semiconductor material 20 and the semiconductor material 201 'of the first portion 250 of each of the nanowires 200 are both a n-type gap-free large gap material whose doping, for the second semiconductor material 20, was inverted into p-type doping by activation of the dopant polymer 450.
  • the second semiconductor material 20 and the semiconductor material 201 'of the first portion 250 of each of the nanowires 200 is preferably zinc oxide (ZnO), but they may also be any large gap semiconductor material with a direct gap that may be doping. n and whose doping can be reversed by bringing into contact with a doping polymer 450 and 1 activation of the latter.
  • the doping polymer 450 is a polymer comprising dopant ions capable of migrating into the semiconductor material in contact with said polymer during an activation step, such as an activation. thermal. This type of doping polymer 450 forms a doping material.
  • said dopant polymer layer 450 being deposited in such a way that the second end 220 of each of the nanowires 200 is flush with,
  • the light emission with a semiconductor structure 1 according to this embodiment is obtained, as illustrated in FIG. 8 e) in a manner similar to that of a semiconductor structure 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor structure 1 according to a fifth embodiment.
  • a semiconductor structure 1 differs from a semiconductor structure 1 according to the second embodiment in that each nanowire 200 comprises at its first end 210 a wetting layer portion 215, the interface between said wetting layer portion 215 and the second face 120 forming the junction 50, in that the insulating layer 310 is in contact with the nanowires 200 without any contact with the second face 120 and in that the conductivity type of the first and second semiconductor material 10 , 20 is inverted, the first semiconductor material 10 exhibiting p-type doping and the second semiconductor material 20 exhibiting n-type doping.
  • nanowire 200 is understood to mean the body of the nanowire 205 itself, that is to say the elongated part of the nanowire 200, and a portion of the layer of residual material 215 resulting from the growth. nanowires 200 and present on the second face 120, this layer being generally called wetting layer. Indeed, depending on the type of 200 nanowires growth used, as described in the article by IC ROBIN and its sensible [5], there may exist, following the growth of the nanowire 200, a so-called wetting layer. Such a layer, of the same type as the material forming the body 205 of each of the nanowires 200, has no discontinuity with the body 205 of each of the nanowires 200.
  • the conductivity type of the first and second semiconductor material 10, 20 being reversed, the types of electrical contact of the first and second electrical contacts 30, 40 are preferably inverted.
  • the first electrical contact 30 is a p-type electrical contact and the second electrical contact is preferably an n-type electrical contact.
  • the wetting layer according to this embodiment is of a thickness of between 10 nm and 150 nm with a preferred thickness substantially equal to 100 nm.
  • the nanowires 200 form the first part 1b of the semiconductor structure 1 and the second face 120 forms the second part 1a of the semiconductor structure 1.
  • the method of manufacturing a semiconductor structure 1 according to this embodiment differs from a method of manufacturing a semiconductor structure 1 according to the second embodiment.
  • the step of forming the nanowires 200 by the step of forming the nanowires 200, the step of forming the nanowires 200 according to this embodiment being a forming step comprising the formation of a wetting layer concomitantly or previously with the formation of the bodies 205 of the nanowires 200.
  • the light emission with a semiconductor structure 1 according to this fifth embodiment differs in the inversion of the bias voltage of the junction 50. Indeed, the junction 50 being reversed, a direct bias requires that the second contact electrical 40 is negatively biased relative to the first electrical contact.
  • Figures 11 a) to c) illustrate possibilities of the invention for the first, fourth and third embodiments respectively.
  • the semiconductor structures 1 according to these possibilities are different from the semiconductor structures 1 according to the embodiments from which they result in that at least a portion of each of the nanowires 200 has a "core-shell" conformation.
  • core-shell conformation is understood to mean a conformation of at least one portion of nanowire 200 consisting of at least two materials 50, 65, a material 60, called a core, forming the center of the nanofil portion 200 and a material 65, called shell, forming the outer contour of the nanowire portion 200.
  • a conformation may also present three or four materials according to a similar principle, the materials being arranged substantially concentrically with respect to the axis of the nanowire portion 200.
  • the core material 60 may be zinc oxide (ZnO) or gallium nitride (GaN)
  • the shell material 65 may be respectively for these two materials zinc oxide manganese (ZnMgO) and gallium-aluminum nitride (AlGaN).
  • FIGS. 11 a) and b) more particularly illustrate a semiconductor structure 1 according to the first and fourth embodiments, respectively, with nanowires 200 having a "core-shell" conformation over their entire body 205.
  • FIG. 11 c) illustrates a semiconductor structure 1 according to the third embodiment with only the first portion 250 of each of the nanowires 200 having a "core-shell" conformation.
  • the methods for manufacturing semiconductor structures 1 according to this possibility are different from the semiconductor structure fabrication methods 1 according to the embodiment from which they are derived, in that the step of forming the nanowires 200 comprises at least one growth stage. core material 60 and a lateral growth step of the shell material 65 around the core material 60.
  • the light emission with semiconductor structures 1 according to this possibility is obtained in the same way as the semiconductor structures 1 according to the embodiments from which they are derived.
  • nanowires 200 comprising at least one portion having a "core-shell” conformation are presented for illustrative purposes and are therefore not limiting. Indeed, all the structures according to the embodiments described in this document may comprise nanowires 200 comprising at least one portion having a "core-shell” conformation, this portion being preferably a portion of each nanowire 200 intended to emit the light .
  • each of the nanowires 200 may comprise a "quantum well” type conformation on at least one of these portions, said portion being preferably chosen to be a light-emitting portion.
  • the term "quantum well” conforms to the fact that said nanowire portions 200 comprise a succession of materials having forbidden bands of different energies so as to create zones of quantum confinement that favor, in the same way as for a conformation "Heart-shell", the recombinations radiative.
  • the materials forming such a conformation can be, for example, of the same type as those used for a "core-shell” conformation, that is to say Zinc oxide (ZnO) or gallium nitride (GaN). ) for the “sink” material, ie in which quantum confinement takes place, and zinc manganese oxide (ZnMgO) or gallium-aluminum nitride (GaAlN) for the material
  • Barrier i.e. the material creating the potential barrier so as to confine carriers in the "sink” material.
  • the substrate 100 has been deliberately chosen as having an n-type conductivity, it is also conceivable to invert the conductivity type of all the component materials 10, 20, 201 , 201 ', 60, 65, the semiconductor structures 1 described, the substrate 100 then having a p-type conductivity and polarization voltages to be reversed, without departing from the scope of the invention.
  • the order of the steps of the manufacturing processes described above is for some of these purely arbitrary steps, and it is for example possible, without modification of the semiconductor structures 1 obtained by such manufacturing processes and without the It is outside the scope of the invention to carry out the step of producing the first contact 30 before the step of forming the nanowires 200.
  • the micro- or nano-structures are formed by nanowires 200, it is also possible to form such micro- or nano-structures by semiconductor piers having a shape other than that of nanowires or by a set of semiconductor lamellae parallel to each other, one of the longitudinal sides of which is in contact with the second face 120, or by any other type of micro- or nanostructures having at least one reduced dimension according to FIG. one of the directions substantially parallel to the second face 120 so as to form a 2D microstructure or 2D or preferentially 1D.

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Abstract

Structure semiconductrice (1) adaptée pour émettre de la lumière comportant un substrat (100) réalisé en un premier matériau semiconducteur (10) présentant un premier type de conductivité, un premier contact électrique, un deuxième matériau semiconducteur (20), présentant un second type de conductivité de manière à former une jonction (50), un second contact électrique (40) en contact avec le deuxième matériau semiconducteur (20), un moyen de polarisation adapté pour polariser au moins une partie (1a, 1b) de la structure semiconductrice. La structure semiconductrice (1) comporte une pluralité de micro- ou nano-structures (200) présentant chacune une première premières extrémités (210) connectée au substrat (100), chaque micro- ou nano-structure (200) comportant au moins une portion réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur (20), ou chaque micro- ou nano-structure (200) présentant le premier type de conductivité avec la seconde extrémité (220) en contact avec le deuxième matériau semiconducteur (20), ceci de manière à former la jonction (50).

Description

STRUCTURE SEMICONDUCTRICE DESTINEE A EMETTRE DE LA LUMIERE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE STRUCTURE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine de la fourniture de moyens d'émission de lumière et plus particulièrement au domaine de la fourniture de moyens d'émission de lumière dans la gamme des ultra-violets (acronyme UV) .
Durant ces vingt dernières années, l'industrie des semiconducteurs a démontré et développé le fort potentiel des structures semiconductrices pour l'émission de lumière dans les gammes de longueurs d'ondes allant de la gamme des infrarouges au visible.
En raison de limites technologiques liées aux matériaux semiconducteurs, le potentiel des structures semiconductrices pour l'émission de lumière dans les longueurs d'ondes allant du proche UV aux UV profonds reste encore à démontrer.
L'invention concerne plus particulièrement une structure semiconductrice destinée à émettre de la lumière et au procédé de fabrication d'une telle structure semiconductrice.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Ces dernières années différentes pistes ont été explorées dans le but de développer des structures semiconductrices destinées à émettre de la lumière dans les gammes de longueurs d'ondes des UV. Une première piste concerne des structures semiconductrices basées sur une jonction semiconductrice (généralement connue sous la dénomination jonction p-n) à base de semiconducteurs grand gap à gap direct, tels que l'oxyde de zinc (ZnO), le nitrure de gallium (GaN) . En effet, selon un principe, identique à celui utilisé pour la réalisation de structures semiconductrices destinées à émettre de la lumière dans les longueurs d'ondes du visible, le ménagement d'une zone favorable à la recombinaison de paires électron-trou dans une jonction semiconductrice polarisée en direct d'un matériau grand gap à gap direct doit permettre une émission de photons dans les longueurs d'ondes des UV. Ainsi pour une jonction à base de ZnO [1], dont le gap est d'une valeur de 3,37eV, il est possible d'atteindre une longueur d'onde d'environ 370nm.
Néanmoins, l'exploitation de ce type de jonction semiconductice reste limitée par les problèmes de dopage existant pour les matériaux semiconducteurs à grand gap. En effet, l'énergie d'activation des dopants de tels matériaux est souvent du même ordre de grandeur ou d'une valeur supérieure à l'énergie thermique à la température ambiante pour au moins l'un des deux types conductivités .
En réponse à ce problème et selon un principe similaire, l'utilisation d'hétéro jonctions [2] a également été envisagée. Néanmoins ce type d'hétéro jonctions présente une problématique liée à la qualité d'interface d'une telle hétéro jonction, les défauts d'interface créant des pièges recombinants non radiatifs qui limitent le rendement d'émission des structures semiconductrices présentant une telle hétérojonction.
Pour contourner cette limite, J. Simon et ses collaborateurs ont récemment proposé [3] d'utiliser un champ électrique interne à la structure semiconductrice pour injecter des porteurs minoritaires au niveau de l'une des deux zones formant la jonction. Dans ces travaux, le champ électrique est généré par l'utilisation combinée de la différence de gap entre le Nitrure de gallium aluminium (AlGaN) et le nitrure de gallium (GaN) , et d'une gradation de la composition en aluminium au niveau de la jonction. Le champ électrique ainsi généré permet l'injection de porteurs minoritaires qui favorise en retour les recombinaisons électron-trou à l'origine de l'émission de lumière. De même, cette gradation permet de limiter les défauts d'interface liés à l 'hétéro jonction, cette interface étant graduelle.
Si ces travaux montrent le fort potentiel de l'injection de porteurs liée à un champ électrique, la faisabilité industrielle reste à démontrer.
Une autre solution, décrite dans le brevet français FR 2934716, consiste à générer un champ électrique externe pour obtenir une zone d'inversion du type de porteur dans l'une des deux zones de la jonction. Cette inversion de porteurs est obtenue par l'utilisation d'une grille de polarisation de la zone à inverser qui est adaptée pour que sa polarisation entraîne une injection de porteurs majoritaires de l'autre zone dans ladite zone. Une telle inversion de porteurs permet de créer dans cette même zone une région propice à la recombinaison de porteurs et donc à l'émission de lumière, cette région formant une « quasi- onction » semiconductrice . Il en résulte ainsi que même pour un faible dopage de la zone non inversée, la région propice à l'émission n'est limitée que par la zone polarisée. De plus cette région peut être, par la polarisation, éloignée de la jonction et des pièges recombinant non radiatifs qui peuvent s'y trouver dans le cas d'une hétéro jonction .
On entend ci-dessus par quasi- jonction, une jonction semiconductrice formée par la création dans un matériau présentant un seul type de conductivité d'une zone d'un type de conductivité opposé ceci, par exemple, par injection de porteurs minoritaires dans ladite zone.
Néanmoins, avec la configuration planaire proposée dans ledit brevet, la région émettrice reste limitée par les zones polarisées par la grille, elle- même limitée par la géométrie de l'anode et la cathode, et ne permet donc pas d'obtenir une grande surface d'émission et donc une grande puissance d'émission sans combiner un grand nombre de structures semiconductrices entre elles. EXPOSÉ DE L' INVENTION
L'un des buts de l'invention est de fournir une structure semiconductrice destinée à émettre de la lumière avec utilisation d'un champ électrique externe à la jonction pour injecter des porteurs minoritaires dans une partie de la structure semiconductrice et ainsi en inverser au moins partiellement le type de conductivité, ladite structure présentant une configuration permettant une optimisation de l'injection de porteurs minoritaires dans ladite partie de manière à permettre une amélioration du rendement d'émission par rapport à un agencement de l'art antérieur .
L'invention à plus précisément pour but de fournir une structure semiconductrice destinée à émettre de la lumière et qui comporte une première et une deuxième partie en contact l'une de l'autre de manière à former une jonction semiconductrice, ladite jonction étant inadaptée pour émettre de la lumière de façon efficace, ceci en raison de problèmes liés à la technique de dopage du ou des matériaux constituant la structure ou d'une forte concentration en défauts cristallins au niveau de ladite jonction, ladite structure comportant en outre un moyen de polarisation adapté pour inverser le type de porteurs dans l'une des parties par injection dans ladite partie de porteurs majoritaires de l'autre partie, ceci de manière à déplacer la jonction dans ladite partie, ladite structure étant configurée de manière à présenter une surface d'émission supérieure à une structure antérieure comportant un tel moyen de polarisation.
A cet effet l'invention concerne une structure semiconductrice adaptée pour émettre de la lumière comportant :
- un substrat réalisé en un premier matériau semiconducteur présentant un premier type de conductivité, le substrat présentant une première et une seconde face, - un premier contact électrique sur la première face,
- au moins un deuxième matériau semiconducteur, présentant un second type de conductivité formant une première partie de la structure semiconductrice et en contact électrique avec une deuxième partie de la structure semiconductrice présentant la première conductivité de manière à former une jonction,
- un second contact électrique connecté électriquement avec le deuxième matériau semiconducteur ,
- un moyen de polarisation adapté pour polariser au moins une partie de la structure semiconductrice parmi la première et la deuxième partie, le moyen de polarisation étant agencé de manière à ce que sa polarisation entraîne une inversion du type de porteurs dans ladite partie par injection dans ladite partie de porteurs majoritaires de l'autre partie, ceci de manière à déplacer la jonction dans ladite partie,
la structure semiconductrice comportant :
- une pluralité de micro- ou nano- structures semiconductrices présentant chacune une première et une seconde extrémité, chacune des premières extrémités étant reliée à la seconde face, chaque micro- ou nano- structure comportant au moins une portion réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur de manière à former la première partie, ou chaque micro- ou nano- structure présentant la première conductivité avec la seconde extrémité en contact avec le deuxième matériau semiconducteur, ceci de manière à former la jonction,
et chaque micro- ou nano- structure comporte une part de ladite micro- ou nano- structure dont le type de porteurs est destiné a être inversé par le moyen de polarisation.
On entend ci-dessus, et dans la reste de ce document, par un premier type de conductivité et un second type de conductivité des conductivités correspondant à respectivement un premier type de porteurs majoritaires pouvant être choisi dans le groupe comportant les électrons et les trous, et à un second type de porteurs majoritaires différent choisi dans ce même groupe.
On entend ci-dessus et dans le reste de ce document par jonction semiconductrice, une zone de transition entre des régions semi-conductrices de propriétés électriques différentes, une telle zone étant caractérisée par l'existence d'une barrière de potentiel . Une telle structure semiconductrice permet une inversion du type de porteurs au niveau de la seconde face et/ou de la pluralité de nanostructure ceci de façon 3D, puisque chaque micro- ou nano¬ structure présente au moins une partie de la première et de deuxième partie de la structure formant la jonction, augmentant ainsi significativement la zone dans laquelle le type de porteurs est inversé et donc dans laquelle les recombinaisons des paires électron- trou peuvent avoir lieu. En effet, lorsque le moyen de polarisation est polarisé, la « quasi- jonction » est donc formée dans au moins une partie de chacune des micro- ou nano- structures et peut, selon la configuration s'étendre également le long de la seconde face du substrat. Avec une telle « quasi- onction » on optimise ainsi les zones dans lesquelles les recombinaisons paires électron-trou radiatives peuvent avoir lieu et donc les zones d'émission de lumière.
Le moyen de polarisation peut comporter une couche d'isolant en contact avec la partie de la structure semiconductrice à polariser et une couche conductrice sur ladite couche d'isolant.
Une telle couche d'isolant sur laquelle est déposée une couche conductrice permet de fournir un moyen de polarisation d'au moins une partie de la structure semiconductrice homogène puisque fourni par une couche conductrice présente sur une couche d'isolant en contact avec ladite partie de la structure semiconductrice .
La couche d'isolant peut être en contact avec les zones de la seconde face laissées libres par les micro- ou nano- structures et sur au moins une portion de chaque micro- ou nano- structure.
Une telle couche d'isolant peut permettre une polarisation de l'ensemble de la partie de la structure semiconductrice à polariser sans risque de court-circuit, la couche conductrice pouvant être déposée sur cette couche d'isolant sans risque de court-circuit avec la dite partie de la structure semiconductrice .
Un tel arrangement de la couche d'isolant permet également, avec une configuration des micro- et nano- structures adéquate, une polarisation de la partie dont le type de porteurs est non inversé, facilitant ainsi l'injection des porteurs minoritaires dans la partie à inverser.
La couche conductrice peut être adaptée pour être au moins partiellement transparente à la longueur d'onde à laquelle la structure semiconductrice est destinée à émettre.
Ainsi, la lumière émisse peut être transmise au travers de la couche conductrice.
La couche conductrice peut être avantageusement de l'oxyde d ' indium-étain (ITO), un métal de faible épaisseur de manière à le rendre au moins partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission de la structure semiconductrice ou un semiconducteur transparent à la longueur d'onde d'émission de la structure semiconductrice et présentant un fort dopage de manière à le rendre dégénéré et donc conducteur.
La couche d'isolant peut être réalisée dans un matériau sélectionné dans le groupe comportant le dioxyde de silicium (S1O2) et les diélectriques "High- k", tels que le dioxyde d'hafnium (HfC>2) .
Le dépôt de tels matériaux étant parfaitement maîtrisé dans l'industrie des semiconducteurs à base de silicium, ces matériaux permettent de fournir une couche isolante présentant l'isolation nécessaire pour la polarisation de la zone à inverser sans présenter les risques de fuites inhérents à une couche d'isolant non maîtrisée.
Chaque micro- ou nano- structure peut présenter au moins une dimension réduite selon l'une des directions sensiblement parallèles à la seconde face de manière à former une micro- ou nano- structure 2D, préfèrentiellement 1D.
On entend par micro- ou nano- structure 2D, ou 1D, une micro- ou nano- structure dont une dimension, ou deux dimensions, est inférieure ou du même ordre de grandeur que le libre parcourt moyen électronique correspondant du ou aux matériaux composant ladite micro- ou nano- structure
Une telle dimension réduite permet à la fois un confinement quantique et une optimisation de la région du substrat qui est influencée par l'inversion du type de porteurs, ceci tout en limitant les zones d'ombrage liées à la présence des micro- ou nano- structures, ces zones d'ombrages ne l'étant que sur cette dimension réduite.
Chaque micro ou nano- structure peut être un nanofil semiconducteur.
De telles micro- ou nano- structures peuvent être facilement obtenues en une seule fois par croissance épitaxiale sur toute la surface substrat, limitant ainsi le nombre d'étape de fabrication et donc les coûts de fourniture d'une structure semiconductrice selon l'invention.
Selon un premier mode réalisation, chaque micro- ou nano- structure peut présenter une conductivité du même type que celle du premier matériau semiconducteur de manière à former la deuxième partie, la seconde extrémité de chacune des micro- ou nano- structures étant en contact avec le deuxième matériau semiconducteur . De telles micro- ou nano- structures peuvent être obtenues en une seule étape de croissance, limitant ainsi les étapes nécessaires pour la fourniture d'une structure semiconductrice selon l'invention.
Selon un autre mode de réalisation chaque micro ou nano- structure peut présenter :
- une première portion comportant la première extrémité, et présentant une conductivité du même type que celle du premier matériau semiconducteur de manière à former la deuxième partie, et
une seconde portion comportant la seconde extrémité, et étant réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur de manière à former la première partie.
Une telle configuration de chacune des micro- ou nano- structures permet de fournir une structure semiconductrice présentant la jonction au niveau des micro- ou nano- structures permettant ainsi, pour un moyen de polarisation adapté, de polariser à la fois la portion à inversée et la portion non inversée de chacune des micro- ou nano- structures. En effet, une telle configuration permet l'optimisation de l'injection des porteurs minoritaires dans la zone à inverser.
Selon une autre forme de réalisation, chaque micro- ou nano- structure peut être entièrement réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur de manière à former la première partie.
Ainsi la structure présente la jonction au plus proche de la surface du substrat permettant ainsi une inversion du type de porteurs optimisée au niveau de la seconde face.
Chaque micro- ou nano- structure peut comporter une fraction d'une couche dite de mouillage en contact avec le substrat, cette fraction de la couche de mouillage formant la première extrémité de ladite micro- ou nano- structure.
Avec une telle couche de mouillage, la partie à inverser est formée par les micro- ou nano- structures, l'inversion du type de porteurs peut donc avoir lieu sur l'ensemble de chacune des micro- ou nano- structures, la couche de mouillage comprise.
Selon une possibilité de l'invention, au moins une portion du nanofil peut comporter une conformation du type « cœur-coquille », c'est-à-dire que la portion du nanofil est constituée d'au moins deux matériaux semiconducteurs, l'un, dit matériau coeur, formant le centre de ladite portion du nanofil et l'autre, dit matériau coquille, entourant le matériau coeur de manière à former le contour extérieur de la portion de nanofil.
Une telle conformation permet à une portion de nanofil, préfèrentiellement choisie comme celle étant comprise dans la partie à inversée de la structure semiconductrice, de présenter un meilleur confinement quantique dans le matériau cœur avec une interface entre le matériau cœur et le matériau coquille présentant une faible densité de pièges non radiatif, augmentant ainsi le rendement d'émission d'un tel nanofil. Le nanofil peut présenter une seule portion de nanofil comportant une conformation « cœur- coquille », ladite portion de nanofil étant une portion sélectionnée dans le groupe comportant la première portion et la seconde portion.
La jonction peut être une hétéro onction .
Une telle jonction permet d'utiliser les qualités d'un matériau semiconducteur présentant un gap adéquat pour émettre à la longueur d'onde choisie sans nécessiter que ce même matériau ait la possibilité de présenter les deux types de conductivité pour former la j onction .
La partie de la structure semiconductrice de la première et de la seconde partie présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des électrons peut être réalisée dans un matériau semiconducteur présentant un dopage de type n, ledit matériau semiconducteur étant préfèrentiellement sélectionné dans le groupe comportant l'oxyde de zinc (ZnO), l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO), le nitrure de gallium (GaN) , le nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) .
De tels matériaux semiconducteurs permettent, par l'énergie de leur bande interdite et le fait qu'ils présentent un gap direct, une émission dans la gamme des UV.
La partie de la structure semiconductrice de la première et de la seconde partie présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des trous peut être réalisée dans un matériau semiconducteur présentant un dopage de type p, ledit matériau semiconducteur étant préfèrentiellement sélectionné dans le groupe comportant le nitrure de gallium (GaN) , le séléniure de zinc (ZnSe) et le tellurure de zinc (ZnTe) .
De tels matériaux semiconducteurs permettent, par l'énergie de leur bande interdite et le fait qu'ils présentent un gap direct, une émission dans la gamme des UV.
L'invention se rapport également à un Procédé de fabrication d'une structure semiconductrice selon l'invention, ledit procédé de fabrication comportant les étapes consistant à :
- fournir un substrat réalisé dans un premier matériau semiconducteur présentant un premier type de conductivité, ledit substrat présentant une première et une seconde face
- réaliser un premier contact électrique sur la première face,
- former une pluralité de micro- ou nano- structures sur la seconde face, chacune des micro- ou nano- structures présentant une première et une seconde extrémité avec chacune des premières extrémités connectée à la seconde face, chaque micro- ou nano- structures comportant au moins une portion réalisée dans un deuxième matériau semiconducteur présentant, ou à même de présenter par l'action d'un matériau dopant, une conductivité d'un deuxième type de manière à former une première partie de la structure semiconductrice avec le substrat et/ou une autre portion de chacune des micro- ou nano- structures formant une deuxième partie de la structure semiconductrice, ou chaque micro- ou nano- structure présentant le premier type de conductivité et formant au moins partiellement une deuxième partie de la structure semiconductrice,
former un moyen de polarisation adapté pour polariser au moins une partie parmi la première et la deuxième partie, le moyen de polarisation étant agencé de manière à ce que sa polarisation entraîne une inversion du type de porteurs dans ladite partie,
- déposer, si chaque micro- ou nano- structure présente le premier type de conductivité et forme au moins partiellement la deuxième partie de la stucture, un deuxième matériau semiconducteur de manière à former une première partie de la structure semiconductrice,
réaliser un second contact électrique en contact avec le deuxième matériau semiconducteur.
Un tel procédé permet la formation d'une structure semiconductrice apte à émettre de façon optimisée de la lumière dans des longueurs d'onde des UV, le contact entre la première et la seconde partie permettant la formation de la jonction.
Selon une possibilité de l'invention le procédé peut être un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice dont le moyen de polarisation comporte une couche d'isolant en contact avec la partie de la structure semiconductrice à polariser et une couche conductrice sur ladite couche d'isolant, l'étape consistant à former un moyen de polarisation comportant les étapes consistant à:
déposer une couche d'isolant sur les zones de la seconde face laissées libres par les micro- ou nano- structures et sur au moins une portion des micro- ou nano- structures,
- déposer une couche conductrice sur la couche d'isolant.
Un tel procédé permet de fournir une structure semiconductrice avec un moyen de polarisation fournissant une polarisation homogène sur toute la partie de la structure semiconductrice à polariser.
Le procédé peut comprendre après l'étape consistant à former un moyen de polarisation et avant l'étape consistant à réaliser le second contact électrique, les étapes consistant à en outre :
Supprimer la part de la couche d'isolant et de la couche conductrices présent sur chacune des micro- ou nano- structure au niveau de leur seconde extrémité et au moins au niveau du pourtour à proximité de la seconde extrémité sur chacune des micro- ou nano- structures ,
déposer un matériau de remplissage de manière à ce que l'espace entre les micro- ou nano- structures soit au moins partiellement rempli et que chacune des micro- ou nano- structures présente au moins une portion recouverte.
De tels étapes permettent le dépôt d'un matériau de remplissage, ce matériau de remplissage permettant la fourniture d'un support pour le dépôt d'un autre matériau, tel qu'un matériau dopant ou le deuxième matériau semiconducteur.
Selon une possibilité de l'invention le dépôt de matériau de remplissage peut être réalisé de manière à ce que l'espace entre les micro- ou nano- structures soit totalement rempli, la seconde extrémité de chacune des micro- ou nano- structures affleurant du matériau de remplissage.
Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication peut être pour la fabrication d'une structure semiconductrice dans laquelle chaque micro ou nano- structure présente :
- une première portion comportant la première extrémité, et présentant une conductivité du même type que celle du premier matériau semiconducteur de manière à former la deuxième partie,
une seconde portion comportant la seconde extrémité, et étant réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur de manière à former la première partie,
le procédé comprenant, après l'étape consistant à former un moyen de polarisation et avant l'étape consistant à réaliser le second contact électrique, les étapes consistant à:
- déposer une couche de remplissage de manière que l'espace entre les micro- ou nano- structure soit rempli et de manière qu'une première portion de chacune des micro- ou nano- structures soit recouverte et qu'une seconde portion de chacune des micro- ou nano- structures dépasse de ladite couche de remplissage,
- supprimer la part de la couche conductrice et de la couche isolante de la deuxième partie de chacune des micro- ou nano- structures,
- déposer une couche de matériau dopant, tel qu'un polymère contenant des ions dopants, ladite couche étant déposée de manière à ce que la seconde extrémité de chacune des micro- ou nano- structures soit affleurante,
effectuer une activation de la couche de matériau dopant de manière à permettre le dopage de la deuxième portion de chacune des micro- ou nano- structures .
De telles étapes permettent la fourniture d'une structure dont au moins une portion de chacune des micro- ou nano- structures est dopée par un matériau dopant.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'une structure semiconductrice selon l'invention, ladite structure semiconductrice comportant des nanofils présentant le même type de conductivité que le substrat,
les figures 2 a) à d) illustrent le procédé de fabrication et d'émission d'une structure semiconductrice selon le premier mode de réalisation, la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d'une structure semiconductrice selon l'invention, ladite structure semiconductrice comportant des nanofils présentant une conductivité d'un autre type que celui du substrat, les figures 4 a) à d) illustrent le procédé de fabrication et d'émission d'une structure semiconductrice selon le deuxième mode de réalisation, la figure 5 illustre un troisième mode de réalisation d'une structure semiconductrice selon l'invention, ladite structure semiconductrice comportant des nanofils présentant une première portion d'un premier type de conductivité et une portion d'un second type de conductivité, la grille étant présente sur toute la longueur des nanofils ,
les figures 6 a) à d) illustrent un procédé de fabrication et d'émission d'une structure semiconductrice selon le troisième mode de réalisation,
- la figure 7, illustre un quatrième mode de réalisation d'une structure semiconductrice selon l'invention, ladite structure semiconductrice comportant des nanofils présentant une première portion d'un premier type de conductivité et une portion d'un second type de conductivité, la grille étant présente sur une seule portion du nanofil,
les figures 8 a) à e) illustrent un procédé de fabrication et d'émission d'une structure semiconductrice selon le quatrième mode de réalisation, la figure 9 illustre un cinquième mode de réalisation selon l'invention, ladite structure semiconductrice comportant des nanofils comportant chacun une portion de couche de mouillage et présentant une conductivité d'un autre type que celui du substrat, les figures 10 a) à d) illustrent un procédé de fabrication et d'émission d'une structure semiconductrice selon le cinquième mode de réalisation, Les figures 11 a) à c) illustrent des variantes de réalisation d'une structure semiconductrice selon l'invention, la structure semiconductrice selon ces variantes de réalisation comportant des nanofils présentant au moins une portion de nanofil de type « cœur-coquille »,
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 est une vue schématique en coupe transversale illustrant un premier mode de réalisation d'une structure semiconductrice 1 selon 1 ' invention .
Une telle structure semiconductrice 1 est une structure semiconductrice 1 destinée à émettre de la lumière. Une telle structure semiconductrice 1 est plus particulièrement adaptée pour émettre dans les longueurs d'onde du proche UV et de l'UV profond.
Une structure semiconductrice selon ce premier mode de réalisation 1 comporte : un substrat semiconducteur 100 réalisé en un premier matériau semiconducteur 10 présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des électrons, c'est-à-dire de type n, le substrat semiconducteur 100 présentant une première et une seconde face 110, 120,
- un premier contact électrique 30 sur la première face 110,
une pluralité de nanofils 200 connectés à la seconde face 120, lesdits nanofils 200 présentant le même type de conductivité que le substrat semiconducteur 100, chacun des nanofils 200 comportant une première et seconde extrémité 210, 220,
une couche d'isolant 310 en contact avec les zones 121 de la seconde face 120 laissées libres par les nanofils 200 et avec une partie du pourtour 230 des nanofils 200,
une couche de métal 320 en contact avec la couche d'isolant 310 et sans contact avec les nanofils 200,
un matériau de remplissage 400 remplissant l'espace entre les nanofils 200,
une couche 500 d'un deuxième matériau semiconducteur 20 présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des trous, c'est-à-dire de type p, ladite couche 500 étant en contact avec la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 de manière à former une jonction semiconductrice 50,
un second contact électrique 40 en contact avec la couche 500 du deuxième matériau semiconducteur 20. Le substrat 100 est un substrat semiconducteur classiquement utilisé pour la réalisation de structures émettrices et pouvant présenter une conduction de type n.
Pour les applications envisagées, le premier matériau semiconducteur 10 formant le substrat semiconducteur 100 est préfèrentiellement un semiconducteur dit grand gap . On entend par grand gap que le matériau semiconducteur présente une énergie de bande interdite supérieure à l,5eV.
Ainsi le premier matériau semiconducteur 10 peut être du nitrure de gallium (GaN) , du nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) ou encore de l'arséniure de gallium (GaAs) . De manière à ce que le substrat semiconducteur 100 présente la conductivité n, le premier matériau semiconducteur 10 est dopé n.
Le premier contact électrique 30 est préfèrentiellement un contact électrique de type n de manière à limiter la résistance électrique avec le premier matériau semiconducteur 10.
Les nanofils 200 sont connectés au substrat semiconducteur 100 sur la seconde face 120. Chaque nanofil 200 présente sa première extrémité 210 en contact avec la seconde face 120.
Chacun des nanofils 200 est réalisé dans un matériau semiconducteur 201 grand gap à gap direct présentant un dopage de type n. On entend par matériau semiconducteur à gap direct un semiconducteur dont le maximum d'énergie de la bande de valence et le minimum d'énergie de la bande de conduction se situent à une valeur du vecteur d'onde k sensiblement également dans le diagramme de dispersion énergétique dudit matériau semiconducteur .
Le matériau semiconducteur 201 dans lequel sont réalisés les nanofils 200 est adapté à la longueur d'onde d'émission souhaitée de la structure semiconductrice 1. Ainsi pour une émission de lumière dans la gamme des longueurs d'ondes proches UV, le matériau semiconducteur 201 formant les nanofils 200 peut être de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du nitrure de gallium (GaN) . Pour une émission dans la gamme des UV profond, le matériau semiconducteur 201 formant les nanofils 200 peut être l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO) ou du nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) .
Selon une possibilité de l'invention le matériau semiconducteur 201 dans lequel sont réalisés les nanofils 200 peut être avantageusement le même que le premier matériau semiconducteur 10.
Les nanofils 200 ont préfèrentiellement un diamètre compris entre 5nm et lpm pour une longueur comprise entre 50nm et lOpm.
Les nanofils 200 forment avec la seconde face 120 une deuxième partie la de la structure semiconductrice 1.
La couche de matériau isolant 310 recouvre à la fois les zones 121 de la seconde face 120 laissées libres par les nanofils 200 et une partie du pourtour 230 des nanofils 200 en laissant libre la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200. Le matériau isolant formant la couche de matériau isolant 310 peut être le dioxyde de silicium (S1O2), et les diélectriques « high k », tels que le dioxyde d' hafnium (HfC>2) , par exemple. On entend par diélectrique « high k » un diélectrique possédant une constante diélectrique plus élevée que celle du dioxyde de silicium. La couche de matériau isolant présente une épaisseur comprise entre 5nmm et 50nm.
La couche conductrice 320 est préfèrentiellement adaptée pour être transparente à la longueur d'onde d'émission de la structure semiconductrice 1. Ainsi la couche conductrice 320 peut être une couche d'oxyde d ' indium-étain (également connu sous l'acronyme ITO) ou tout autre matériau conducteur et transparent connu de l'homme du métier.
La couche conductrice 320 et la couche de matériau isolant 310 forment un moyen de polarisation agencé de manière à ce que sa polarisation entraîne une inversion du type de porteurs dans ladite partie (la, lb) par injection dans ladite partie (la, lb) de porteurs majoritaires de l'autre partie (lb, la), ceci de manière à déplacer la jonction dans ladite partie,
Le matériau de remplissage 400 peut être un matériau diélectrique, tel que du dioxyde de silicium ou un matériau diélectrique « low k ». On entend par diélectrique « low k » un diélectrique possédant une constante diélectrique plus faible que celle du dioxyde de silicium. Ce matériau de remplissage 400 peut être, pour faciliter le procédé de fabrication d'une telle structure semiconductrice 1, un matériau du type « Spin On Glass », c'est-à-dire un matériau diélectrique adapté pour être déposé au moyen d'une centrifugeuse. En effet, le dépôt par centrifugation d'un tel matériau permet de combler aisément et efficacement les espaces restés vacant entre les nanofils 200.
Selon une possibilité non illustrée et non préférée, il est également possible de ne pas combler l'espace entre les nanofils 200.
La seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 affleure de la couche de matériau de remplissage 400 et est en contact avec le deuxième matériau semiconducteur 20.
Dans ce mode de réalisation, le deuxième matériau semiconducteur 20 prend la forme d'une couche 500 en contact avec la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 de manière à former la jonction 50. Le deuxième matériau semiconducteur 20 est un matériau semiconducteur présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des trous, c'est-à-dire que le deuxième matériau semiconducteur 20 présente un dopage de type p.
Le deuxième matériau semiconducteur 20 est préfèrentiellement un semiconducteur grand gap, dont l'énergie de la bande interdite est voisine de celle du matériau semiconducteur 201 constituant les nanofils 200. Ainsi le deuxième matériau semiconducteur 20 peut être le nitrure de gallium (GaN) , le séléniure de zinc (ZnSe) et le tellurure de zinc (ZnTe) .
Le deuxième matériau semiconducteur 20 peut être, sans que l'on sorte du cadre de l'invention, le même matériau que le matériau semiconducteur 201 formant les nanofils 200 avec une conductivité de type p, ceci de manière à ce que la jonction 50 soit une homo jonction, ou d'un autre matériau semiconducteur, ceci de manière à ce que la jonction 50 soit une hétérojonction.
Le deuxième matériau semiconducteur 20 forme une première partie lb de la structure semiconductrice 1.
Le second contact électrique 40 est un contact électrique de type p de manière à limiter la résistance électrique avec le deuxième matériau semiconducteur 20.
Le procédé de fabrication d'une telle structure semiconductrice 1 comporte, comme illustré sur les figures 2 a) à c) , les étapes consistant à :
fournir le substrat 100 réalisé dans le premier matériau semiconducteur 10,
- former, tel qu'illustré sur la figure 2 a) , une pluralité de nanofils 200 sur la seconde face 120, la première extrémité 210 étant, lors de cette formation, en contact avec la seconde face 120,
déposer la couche de matériau isolant 310 sur les zones 121 de la seconde face 120 laissées libres par les nanofils 200 et sur les nanofils 200, déposer la couche conductrice 320 sur la couche de matériau isolant 310, tel qu'illustré sur la figure 2 b) ,
- supprimer, par une attaque sélective, telle qu'une attaque à ions réactif (d'acronyme anglais R.I.E.), la couche de matériau isolant 310 et la couche conductrice 320 de la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 et sur une partie du pourtour 230 de chacun des nanofils 200 à proximité de la seconde extrémité 220, - déposer, par exemple par centrifugation si le matériau de remplissage est un matériau du type « spin on glass », le matériau de remplissage 400 de manière à ce que la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 affleure avec la surface du matériau de remplissage soit plane,
- déposer une couche du deuxième matériau semiconducteur 20 de manière à former la jonction 50,
- réaliser le premier contact électrique 30 en contact avec la première face 110,
réaliser un second contact électrique 40 en contact avec le deuxième matériau semiconducteur 20 pour ainsi obtenir la structure semiconductrice illustrée sur la figure 2 c) .
L'étape de formation des nanofils 200 étant connue par ailleurs, tel que dans les articles de I.C. Robin et de ses collaborateurs [4-5] cette étape n'est pas décrite dans ce document.
Dans ce procédé de fabrication, on entend par partie du pourtour 230 de chacun des nanofils 200 à proximité de la seconde extrémité 220, la partie du pourtour de chacun des nanofils 200 qui est à une distance prédéfinie de la seconde extrémité 220, cette distance prédéfinie étant comprise entre 5nm et 150nm, avec une valeur préférée sensiblement égale à lOnm.
Une fois formée, la structure semiconductrice 1 est apte à émettre de la lumière dont la longueur d'onde est définie par le matériau 201 des nanofils 200.
Cette émission, illustrée sur la figure 2 d) , est obtenue par une polarisation de la jonction 50 en direct, c'est-à-dire que le second contact électrique 40 est polarisé positivement relativement au premier contact électrique 30. Cette polarisation peut avoir une valeur comprise entre IV et 30V, cette valeur devant être adaptée aux matériaux semiconducteurs 10, 20, 201 constituant la structure semiconductrice 1. Pour optimiser le rendement d'émission de la structure semiconductrice 1, la couche conductrice 320 est polarisée négativement relativement au premier contact électrique 30. Cette polarisation peut avoir une valeur -V comprise entre -IV et -30V, cette valeur devant être adaptée au matériau semiconducteur 201 constituant les nanofils .
De cette manière, et de façon identique à la structure semiconductrice 1 décrite dans le document FR 2934716, la polarisation de la couche électrique 320 permet, si elle est suffisante, de créer une inversion 5 du type de porteurs dans la deuxième partie la de la structure semiconductrice 1, c'est-à-dire au niveau des nanofils 200 et de la seconde face 120. Ainsi, l'inversion de porteurs dans la deuxième partie la, obtenue par injection de porteurs majoritaires de la première partie 2a dans la première partie au moyen de ladite polarisation, permet de déplacer la jonction dans la deuxième zone au niveau de ladite zone d'inversion en formant une « quasi- jonction ». Cette zone d'inversion s 'étendant sur toute la longueur du nanofil 200 permet de créer une zone favorable à la recombinaison électron-trou dans laquelle la recombinaison des paires électron-trou donne lieu à de l'émission de lumière et donc la zone d'émission S'étend sur toute la hauteur des nanofils 200 et au niveau de la seconde face 120 comme le montre la figure 2d, ce qui permet d'obtenir une surface d'émission particulièrement importante.
II peut également être noté que cette recombinaison a lieu à distance de la jonction 50 entre le matériau semiconducteur 201 formant les nanofils 200 et le deuxième matériau semiconducteur 20, et est donc à distance de cette même interface entre ces deux matériaux 201, 20 généralement riche en défauts recombinant non radiatif optimisant ainsi le rendement de la structure semiconductrice 1.
La figure 3 est une vue schématique en coupe transversale illustrant un deuxième mode de réalisation d'une structure semiconductrice 1 selon l'invention. Une structure semiconductrice 1 selon ce deuxième mode de réalisation se différencie de celle 1 selon le premier mode de réalisation en ce que chaque nanofil 200 est entièrement réalisé dans le deuxième matériau semiconducteur 20 de manière à former la première partie lb de la structure semiconductrice 1 et en ce que la structure semiconductrice 1 ne comporte pas de couche 500 de deuxième matériau semiconducteur 20, le second contact électrique 40 étant réalisé en contact avec la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200.
Dans une telle structure semiconductrice 1, la jonction 50 est présente à l'interface entre la première extrémité 210 de chacun des nanofils 200 et la seconde face 120, la seconde face 120 formant la deuxième partie la de la structure semiconductrice 1. Dans ce mode de réalisation, le premier matériau semiconducteur 10 est choisi en fonction de la longueur d'onde d'émission souhaitée de la structure semiconductrice 1. Ainsi pour une émission de lumière dans la gamme des proches UV, le premier matériau semiconducteur 10 peut être de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du nitrure de gallium (GaN) . Pour une émission dans la gamme des UV profond, le premier matériau semiconducteur 10 peut être l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO) ou nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) .
Selon ce même mode de réalisation, le deuxième matériau semiconducteur 20 est préfèrentiellement un semiconducteur grand gap, dont l'énergie de la bande interdite est voisine de celle du premier matériau semiconducteur 10.
Le procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon ce mode de réalisation, tel qu'illustré sur les figures 4 a) à c) , se différencie d'un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon le premier mode de réalisation en ce qu'il ne comprend pas d'étape consistant à déposer une couche 500 du deuxième matériau semiconducteur 20 et en ce que l'étape consistant à réaliser un second contact électrique 40 est réalisé en contact avec la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200.
L'émission de lumière avec une structure semiconductrice 1 selon le deuxième mode de réalisation est obtenue, tel qu'illustré sur la figure 4 d) , de façon similaire à celle d'une structure semiconductrice 1 selon le premier mode de réalisation. La figure 5 illustre un troisième mode de réalisation d'une structure semiconductrice 1 selon l'invention, une telle structure semiconductrice 1 se différencie d'une structure semiconductrice 1 selon le deuxième mode de réalisation en ce que chacun des nanofils 200 comporte une première portion 250 dans un matériau semiconducteur 201' de même type de conductivité que le premier matériau semiconducteur 10 et une deuxième portion 260 dans le deuxième matériau semiconducteur 20, l'interface entre ces deux portions 250, 260 formant la jonction 50 de la structure semiconductrice 1. Selon ce mode de réalisation la deuxième portion 260 forme la première partie lb de la structure semiconductrice 1, la première portion 250 et la seconde face 120 formant la deuxième partie la.
Le matériau semiconducteur 201' de la première portion 250 est un semiconducteur grand gap à gap direct. Le matériau semiconducteur 201' de la première portion peut être avantageusement un matériau sensiblement identique au premier matériau semiconducteur 10.
Le matériau semiconducteur 201' de la première portion 250 est adapté à la longueur d'onde d'émission souhaitée de la structure semiconductrice 1. Ainsi pour une émission de lumière dans la gamme des proches UV, le matériau semiconducteur 201' de la première portion 250 peut être de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du nitrure de gallium (GaN) . Pour une émission dans la gamme des UV profond, le matériau semiconducteur 201 ' de la première portion 250 peut être l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO) ou du nitrure de gallium- aluminium (AlGaN) .
Le procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon ce troisième mode de réalisation, tel qu'illustré sur les figures 6 a) à c) , se différencie d'un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon le deuxième mode de réalisation par l'étape de formation de la pluralité de nanofils 200.
En effet, cette étape, pour permettre la réalisation d'une telle structure semiconductrice 1 comprend notamment un changement du matériau déposé pendant la croissance des nanofils 200, ceci de manière à ce que chacun des nanofils 200 puisse présenter la première portion 250 réalisée dans le matériau semiconducteur 201' de la première portion et la deuxième portion 260 réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur 20.
L'émission de lumière avec une structure semiconductrice 1 selon le troisième mode de réalisation est obtenue, tel qu'illustré sur la figure 6 d) , de façon similaire à celle d'une structure semiconductrice 1 selon le premier mode de réalisation.
La figure 7 est une vue schématique en coupe transversale illustrant une structure semiconductrice 1 selon un quatrième mode de réalisation. Une telle structure semiconductrice 1 se différencie d'une structure semiconductrice 1 selon le troisième mode de réalisation en ce que la première portion 250 et la seconde portion 260 de chaque nanofils 200 sont toutes deux réalisées dans un même matériau 201', 20 avec un dopage de type n pour la première portion 250 et un dopage de type p pour la deuxième portion 260 de manière à former la jonction 50, en ce que les couches de matériau isolant 310 et de métal 320 sont présents uniquement sur la première portion 250 de chacun des nanofils 200, le matériau de remplissage 400 étant présent autour de ces mêmes portions 250 de nanofils 200 et en ce que la structure semiconductrice 1 présente un polymère dopant 450 remplissant l'espace entre les nanofils 200 au niveau de leur deuxième portion 260.
Dans ce mode de réalisation le deuxième matériau semiconducteur 20 et le matériau semiconducteur 201' de la première portion 250 de chacun des nanofils 200 sont tous deux un matériau grand gap à gap direct de type n dont le dopage, pour le deuxième matériau semiconducteur 20, a été inversé en un dopage type p par une activation du polymère dopant 450.
Le deuxième matériau semiconducteur 20 et le matériau semiconducteur 201 'de la première portion 250 de chacun des nanofils 200 est préfèrentiellement de l'oxyde de zinc (ZnO), mais ils peuvent être également tout matériau semiconducteur grand gap à gap direct pouvant présenter un dopage n et dont le dopage peut être inversé par la mise en contact avec un polymère dopant 450 et 1 'activation de ce dernier.
Le polymère dopant 450 est un polymère comprenant des ions dopant aptes à migrer dans le matériau semiconducteur en contact avec ledit polymère lors d'une étape d ' activâtion, telle qu'une activation thermique. Ce type de polymère dopant 450 forme un matériau dopant.
Le procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon ce mode de réalisation, tel qu'illustré sur les figures 8 a) à d) , se différencie d'un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon le troisième mode de réalisation en ce qu'après l'étape de formation des nanofils 200, le procédé de fabrication comprend les étapes consistant à :
déposer une couche de remplissage 400 de manière à ce que l'espace entre les nanofils 200 soit rempli et de manière à ce qu'une première portion 250 de chacune des nanofils 200 soit recouverte et à ce qu'une seconde portion 260 de chacun des nanofils 200 dépasse de ladite couche de remplissage 400,
- supprimer, tel qu'illustré figure 8 c) la couche conductrice 320 et la couche isolante 310 de la deuxième portion 260 de chacune des nanofils 200,
- déposer une couche de polymère dopant
450, ladite couche de polymère dopant 450 étant déposée de manière à ce que la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 affleure,
effectuer une activation de la couche de matériau dopant 450 de manière à permettre le dopage de la deuxième portion 260 de chacun des nanofils 200 et ainsi former le deuxième matériau semiconducteur 20,
- réaliser le premier contact électrique 30 en contact avec la première face 110,
- réaliser le second contact électrique 40 en contact avec la seconde extrémité 220 de chacun des nanofils 200 pour ainsi obtenir la structure semiconductrice illustrée sur la figure 8 d) .
L'émission de lumière avec une structure semiconductrice 1 selon ce mode de réalisation est obtenue, tel qu'illustré sur la figure 8 e) de façon similaire à celle d'une structure semiconductrice 1 selon le premier mode de réalisation.
La figure 9 est une vue schématique en coupe transversale illustrant une structure semiconductrice 1 selon un cinquième mode de réalisation. Une telle structure semiconductrice 1 se différencie d'une structure semiconductrice 1 selon le deuxième mode de réalisation en ce que chaque nanofil 200 comprend à sa première extrémité 210 une portion de couche de mouillage 215, l'interface entre ladite portion de couche de mouillage 215 et la seconde face 120 formant la jonction 50, en ce que la couche d'isolant 310 est en contact avec les nanofils 200 sans aucun contact avec la seconde face 120 et en ce que le type de conductivité du premier et du deuxième matériau semiconducteur 10, 20 est inversé, le premier matériau semiconducteur 10 présentant un dopage de type p et le deuxième matériau semiconducteur 20 présentant un dopage de type n.
Dans ce mode de réalisation on entend donc par nanofil 200, le corps du nanofil 205 en lui-même, c'est-à-dire la partie allongée du nanofil 200, et une portion de la couche de matériau résiduel 215 issus de la croissance des nanofils 200 et présente sur la seconde face 120, cette couche étant généralement nommée couche de mouillage. En effet, selon le type de croissance de nanofils 200 utilisé, comme décrit dans l'article de I.C. ROBIN et ses colaborater [ 5 ] , il peut exister, consécutivement à la croissance du nanofil 200, une couche dite de mouillage. Une telle couche, du même type que le matériau formant le corps 205 de chacun des nanofils 200, ne présente aucune discontinuité avec le corps 205 de chacun des nanofils 200.
Dans ce mode de réalisation, le type de conductivité du premier et du deuxième matériau semiconducteur 10, 20 étant inversé, les types de contact électrique du premier et du deuxième contact électrique 30, 40 sont préfèrentiellement inversés. Ainsi le premier contact électrique 30 est un contact électrique de type p et le deuxième contact électrique est préfèrentiellement un contact électrique de type n.
La couche de mouillage selon ce mode de réalisation est d'une épaisseur comprise entre lOnm et 150nm avec une épaisseur préférée sensiblement égale à lOOnm.
Dans ce cinquième mode de réalisation, les nanofils 200 forment la première partie lb de la structure semiconductrice 1 et la seconde face 120 forme la deuxième partie la de la structure semiconductrice 1.
Le procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon ce mode de réalisation, tel qu'illustré par les figures 10 a) à d) , se différencie d'un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice 1 selon le deuxième mode de réalisation par l'étape de formation des nanofils 200, l'étape de formation des nanofils 200 selon ce mode de réalisation étant une étape de formation comprenant la formation d'une couche de mouillage concomitamment ou précédemment à la formation des corps 205 des nanofils 200.
L'émission de lumière avec une structure semiconductrice 1 selon ce cinquième mode de réalisation se différencie dans l'inversion de la tension de polarisation de la jonction 50. En effet, la jonction 50 étant inversée, une polarisation en direct nécessite que le second contact électrique 40 soit polarisé négativement relativement au premier contact 30 électrique.
Les figures 11 a) à c) illustrent des possibilités de l'invention pour respectivement le premier, le quatrième et le troisième mode de réalisation. Les structures semiconductrices 1 selon ces possibilités se différencient des structures semiconductrices 1 selon les modes de réalisation dont elles découlent en ce qu'au moins une portion de chacun des nanofils 200 présente une conformation « cœur- coquille ».
On entend par conformation « cœur- coquille », une conformation d'au moins une portion de nanofil 200 constituée d'au moins deux matériaux 50, 65, un matériau 60, dit cœur, formant le centre de la portion de nanofil 200 et un matériau 65, dit coquille, formant le contour extérieur de la portion de nanofil 200. Une telle conformation peut également présenter trois ou quatre matériaux selon un principe similaire, les matériaux étant agencés sensiblement concentriquement par rapport à l'axe de la portion de nanofil 200.
Ainsi, selon une configuration simple d'un seul matériau cœur 60 et un seul matériau coquille 65 et dans un but de simple illustration de cette possibilité, le matériau cœur 60 peut être de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du nitrure de gallium (GaN) , le matériau coquille 65 pouvant être respectivement pour ces deux matériaux l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO) et du nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) .
Un tel agencement permet un meilleur confinement et une limitation des défauts recombinants non radiatifs présents au niveau du contour de chaque nanofil 200.
Les figures 11 a) et b) illustrent plus particulièrement une structure semiconductrice 1 selon respectivement le premier et le quatrième mode de réalisation avec des nanofils 200 présentant une conformation « cœur-coquille » sur l'ensemble de leur corps 205.
La figure 11 c) illustre quant à elle une structure semiconductrice 1 selon le troisième mode de réalisation avec seulement la première portion 250 de chacun des nanofils 200 présentant une conformation du type « cœur-coquille ».
Les procédés de fabrication de structures semiconductrices 1 selon cette possibilité se différencient des procédés de fabrication de structures semiconductrices 1 selon le mode de réalisation dont elles sont issues, en ce que l'étape de formation des nanofils 200 comprend au moins une étape de croissance du matériau cœur 60 et une étape de croissance latérale du matériau coquille 65 autour du matériau cœur 60.
L'émission de lumière avec des structures semiconductrices 1 selon cette possibilité est obtenue de façon identique à celle des structures semiconductrices 1 selon les modes de réalisation dont elles sont issues
Ces trois exemples de structures semiconductrices 1 selon l'invention pouvant comprendre des nanofils 200 comportant au moins une portion présentant une conformation « cœur-coquille » ne sont présentés qu'à titre illustratif et ne sont donc pas limitatif. En effet, l'ensemble des structures selon les modes de réalisation décrits dans ce document peuvent comprendre des nanofils 200 comportant au moins une portion présentant une conformation « cœur- coquille », cette portion étant préfèrentiellement une portion de chaque nanofil 200 destinée à émettre de la lumière .
Selon une autre possibilité de l'invention, non illustrée, chacun des nanofils 200 peut comporter une conformation de type « puits quantique » sur au moins une des ces portions, ladite portion étant préfèrentiellement choisie comme étant une portion émettrice de lumière. Ainsi, on entend par conformation « puits quantique », le fait que lesdites portions de nanofil 200 comprennent une succession de matériau présentant des bandes interdites de différentes énergies de manière à créer des zones de confinement quantique favorisant, de la même façon que pour une conformation « cœur-coquille », les recombinaisons radiatives. Les matériaux formant une telle conformation peuvent être, par exemple, du même type que ceux utilisés pour une conformation « cœur- coquille », c'est-à-dire de l'oxyde de Zinc (ZnO) ou du nitrure de gallium (GaN) pour le matériau « puits », i.e. dans lequel à lieu le confinement quantique, et de l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO) ou de nitrure de gallium-alluminium (GaAIN) pour le matériau
« barrière », i.e. le matériau créant la barrière de potentiel de manière à confiner les porteurs dans le matériau « puits ». Ces exemples sont donnés qu'à titre illustratif et ne sont nullement limitatifs.
Dans la majorité des modes de réalisation décrits ci-dessus, le substrat 100 a été choisi volontairement comme présentant une conductivité de type n, il est également envisageable d'inverser le type de conductivité de l'ensemble des matériaux composant 10, 20, 201, 201 ', 60, 65, les structures semiconductrices 1 décrites, le substrat 100 présentant alors une conductivité de type p et les tensions de polarisation devant être inversées, sans que l'on sorte du cadre de l'invention.
De même, l'ordre des étapes des procédés de fabrication décrits ci-dessus est pour une partie de ces étapes purement arbitraire, ainsi il est par exemple envisageable, sans modification des structures semiconductrices 1 obtenues par de tels procédés de fabrication et sans que l'on sorte du cadre de l'invention, d'effectuer l'étape de réalisation du premier contact 30 avant l'étape de formation des nanofils 200. De même, si dans l'ensemble des modes de réalisation, les micro- ou nano- structures sont formées par des nanofils 200, il est également possible de former de telles micro- ou nano- structures par des piliers semi-conducteurs présentant une forme autre que celle de nanofils ou par un ensemble de lamelles semiconductrices parrallèles entre elles dont un des côtés longitudinaux est en contact avec la seconde face 120, ou par tout autre type de micro- ou nano- structures présentant au moins une dimension réduite selon l'une des directions sensiblement parallèles à la seconde face 120 de manière à former une micro- ou nano- structure 2D ou préfèrentiellement 1D.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Structure semiconductrice (1) adaptée pour émettre de la lumière comportant :
- un substrat (100) réalisé en un premier matériau semiconducteur (10) présentant un premier type de conductivité, le substrat (100) présentant une première et une seconde face (110, 120),
- un premier contact électrique (30) sur la première face (110),
- au moins un deuxième matériau semiconducteur (20), présentant un second type de conductivité formant une première partie (lb) de la structure semiconductrice (1) et en contact électrique avec une deuxième partie (la) de la structure semiconductrice (1) présentant la première conductivité de manière à former une jonction (50),
un second contact électrique (40) connecté électriquement avec le deuxième matériau semiconducteur (20),
- un moyen de polarisation adapté pour polariser au moins une partie (la, lb) de la structure semiconductrice parmi la première et la deuxième partie (la, lb) , le moyen de polarisation étant agencé de manière à ce que sa polarisation entraîne une inversion du type de porteurs dans ladite partie (la, lb) par injection dans ladite partie (la, lb) de porteurs majoritaires de l'autre partie (lb, la), ceci de manière à déplacer la jonction dans ladite partie (la, lb) , la structure semiconductrice (1) étant caractérisée en qu'elle comporte :
- une pluralité de micro- ou nano- structures (200) présentant chacune une première et une seconde extrémité (210, 220), chacune des premières extrémités (210) étant reliée à la seconde face (120), chaque micro- ou nano- structure (200) comportant au moins une portion réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur (20) de manière à former la première partie (lb), ou chaque micro- ou nano- structure (200) présentant le premier type de conductivité avec la seconde extrémité (220) en contact avec le deuxième matériau semiconducteur (20), ceci de manière à former la onction ( 50 ) ,
et en ce que chaque micro- ou nano- structure (200) comporte une part de ladite micro- ou nano- structure (200) dont le type de porteurs est destiné a être inversé par le moyen de polarisation.
2. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 1, dans laquelle le moyen de polarisation comporte une couche d'isolant (310) en contact avec la partie (la, lb) de la structure semiconductrice (1) à polariser et une couche conductrice (320) sur ladite couche d'isolant (310) .
3. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 2, dans laquelle la couche d'isolant (310) est en contact avec les zones (121) de la seconde face (120) laissées libres par les micro- ou nano- structures (200) et sur au moins une partie de chaque micro- ou nano- structure (200) .
4. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la couche conductrice (320) est adaptée pour être au moins partiellement transparente à la longueur d'onde à laquelle la structure semiconductrice (1) est destinée à émettre.
5. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 2 ou la revendication 3 ou 4 en combinaison avec la revendication 2, dans laquelle la couche d'isolant (310) est réalisée dans un matériau sélectionné dans le groupe comportant le dioxyde de silicium (SiC>2) et les diélectriques "High-k", tels que le dioxyde d'hafnium (HfC>2) .
6. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque micro- ou nano- structure (200) présente au moins une dimension réduite selon l'une des directions sensiblement parallèles à la seconde face (120) de manière à former une micro- ou nano- structure 2D, préfèrentiellement 1D.
7. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque micro ou nano- structure (200) est un nanofil semiconducteur.
8. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque micro- ou nano- structure (200) présente une conductivité du même type que celle du premier matériau semiconducteur (10) de manière à former la deuxième partie (la), la seconde extrémité (220) de chacune des micro- ou nano- structures (200) étant en contact avec le deuxième matériau semiconducteur (20).
9. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque micro ou nano- structure (200) présente :
- une première portion (250) comportant la première extrémité (210), et présentant une conductivité du même type que celle du premier matériau semiconducteur (10) de manière à former la deuxième partie ( la) , et
- une seconde portion (260) comportant la seconde extrémité (220), et étant réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur (20) de manière à former la première partie (lb) .
10. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque micro- ou nano- structure (200) est entièrement réalisée dans le deuxième matériau semiconducteur (20) de manière à former la première partie ( lb) .
11. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 10, dans laquelle chaque micro- ou nano- structure (200) comporte une fraction d'une couche (215) dite de mouillage en contact avec le substrat (100), cette fraction de la couche de mouillage (215) formant la première extrémité (210) de ladite micro- ou nano- structure (200) .
12. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 7 ou l'une quelconque des revendications 8 à 11 en combinaison avec la revendication 6, dans laquelle au moins une portion (200, 250, 260) de chaque nanofil (200) comporte une conformation du type « cœur-coquille », c'est-à-dire que la portion du nanofil est constituée d'au moins deux matériaux semiconducteurs (60, 65), l'un (60), dit matériau coeur, formant le centre de ladite portion (200, 250, 260) du nanofil (200) et l'autre (65), dit matériau coquille, entourant le matériau cœur (60) de manière à former le contour extérieur de la portion (200, 250, 260) de nanofil (200) .
13. Structure semiconductrice (1) selon la revendication 9 en combinaison avec la revendication 12, dans laquelle chaque nanofil (200) présente une seule portion (250, 260) de nanofil comportant une conformation « cœur-coquille », ladite portion (250, 260) de nanofil étant une portion (250, 260) sélectionnée dans le groupe comportant la première portion (250) et la seconde portion (260).
14. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la jonction (50) est une hétéro onction .
15. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la partie (la, lb) de la première et de la seconde partie (la, lb) présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des électrons est réalisée dans un matériau semiconducteur présentant un dopage de type n, ledit matériau semiconducteur étant préfèrentiellement sélectionné dans le groupe comportant l'oxyde de zinc (ZnO), l'oxyde de zinc manganèse (ZnMgO), le nitrure de gallium (GaN) , le nitrure de gallium-aluminium (AlGaN) .
16. Structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la partie (la, lb) de la première et de la seconde partie (la, lb) présentant une conductivité dont les porteurs majoritaires sont des trous est réalisée dans un matériau semiconducteur présentant un dopage de type p, ledit matériau semiconducteur étant préfèrentiellement sélectionné dans le groupe comportant le nitrure de gallium (GaN) , le séléniure de zinc (ZnSe) et le tellurure de zinc (ZnTe) .
17. Procédé de fabrication d'une structure semiconductrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, ledit procédé de fabrication comportant les étapes consistant à : fournir un substrat (100) réalisé dans un premier matériau semiconducteur (10) présentant un premier type de conductivité, ledit substrat (100) présentant une première et une seconde face (110, 120),
- réaliser un premier contact électrique
(30) sur la première face (110),
- former une pluralité de micro- ou nano- structures (200) sur la seconde face (120), chacune des micro- ou nano- structures (200) présentant une première et une seconde extrémité (210, 220) avec chacune des premières extrémités (210) connectée à la seconde face (120), chaque micro- ou nano- structures (200) comportant au moins une portion réalisée dans un deuxième matériau semiconducteur (20) présentant, ou à même de présenter par l'action d'un matériau dopant (450), une conductivité d'un deuxième type de manière à former une première partie (lb) de la structure semiconductrice (1) avec le substrat (100) et/ou une autre portion de chacune des micro- ou nano- structures (200) formant une deuxième partie (la) de la structure semiconductrice (1), ou chaque micro- ou nano- structure (200) présentant le premier type de conductivité et formant au moins partiellement une deuxième partie (la) de la structure semiconductrice (1),
former un moyen de polarisation adapté pour polariser au moins une partie (la, lb) parmi la première et la deuxième partie (la, lb) , le moyen de polarisation étant agencé de manière à ce que sa polarisation entraîne une inversion du type de porteurs dans ladite partie (la, lb) , - déposer, si chaque micro- ou nano- structure (200) présente le premier type de conductivité et forme au moins partiellement la deuxième partie (la), un deuxième matériau semiconducteur (20) de manière à former la première partie ( lb) ,
réaliser un second contact électrique (40) en contact avec le deuxième matériau semiconducteur (20).
18. Procédé de fabrication selon la revendication 17 dans lequel le procédé de fabrication est un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice (1) selon la revendication 2 ou l'une des revendication 3 à 16 en combinaison avec la revendication 2, l'étape consistant à former un moyen de polarisation comportant les étapes consistant à:
déposer une couche d'isolant (310) sur les zones (121) de la seconde face (120) laissées libres par les micro- ou nano- structures (200) et sur au moins une portion de chaque micro- ou nano- structures (200),
déposer sur la couche conductrice (320) sur la couche d'isolant (310).
19. Procédé de fabrication selon la revendication 17 ou 18 dans lequel, le procédé de fabrication comprend après l'étape consistant à former un moyen de polarisation et avant l'étape consistant à réaliser le second contact électrique, les étapes consistant à en outre : Supprimer la part de la couche d'isolant (310) et de la couche conductrice (320) présent sur chacune des micro- ou nano- structures au niveau de leur seconde extrémité (220) et au moins au niveau du pourtour (230) à proximité de la seconde extrémité (220) sur chacune des micro- ou nano- structures (200), déposer un matériau de remplissage (400) de manière à ce que l'espace entre les micro- ou nano- structures (200) soit au moins partiellement rempli et que chacune des micro- ou nano- structures (200) présente au moins une portion recouverte.
20. procédé de fabrication selon la revendication 19 pour la fabrication d'une structure semiconductrice (1) selon la revendication 9 ou selon l'une quelconque des revendications 12 à 16 en combinaison avec la revendication 9, le procédé comprenant, après l'étape consistant à former un moyen de polarisation et avant l'étape consistant à réaliser le second contact électrique (40), les étapes consistant à :
déposer une couche de remplissage (400) de manière que l'espace entre les micro- ou nano- structures (200) soit rempli et de manière qu'une première portion (250) de chacune des micro- ou nano- structures (200) soit recouverte et qu'une seconde portion (260) de chacune des micro- ou nano- structures (200) dépasse de ladite couche de remplissage (400), supprimer la part de la couche isolante (310) et de la couche conductrice (320) de la deuxième portion (260) de chacune des micro- ou nano- structures (200) ,
déposer une couche de matériau dopant (450), tel qu'un polymère contenant des ions dopants, ladite couche de matériau dopant (450) étant déposée de manière à ce que la seconde extrémité (220) de chacune des micro- ou nano-structures (200) soit affleurante, effectuer une activation de la couche de matériau dopant (450) de manière à permettre le dopage de la deuxième portion (260) de chacune des micro- ou nano- structures (200).
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