WO2017093645A1 - Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie - Google Patents

Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie Download PDF

Info

Publication number
WO2017093645A1
WO2017093645A1 PCT/FR2016/053121 FR2016053121W WO2017093645A1 WO 2017093645 A1 WO2017093645 A1 WO 2017093645A1 FR 2016053121 W FR2016053121 W FR 2016053121W WO 2017093645 A1 WO2017093645 A1 WO 2017093645A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optoelectronic device
doped
doped portion
semiconductor compound
enlarged
Prior art date
Application number
PCT/FR2016/053121
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Ferret
Abdelkarim KAHOULI
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives filed Critical Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Priority to EP16813091.2A priority Critical patent/EP3384534A1/fr
Priority to US15/779,727 priority patent/US11049997B2/en
Publication of WO2017093645A1 publication Critical patent/WO2017093645A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/24—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035227—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum wires, or nanorods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03044—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds comprising a nitride compounds, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H01L31/03048—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP comprising a nitride compounds, e.g. InGaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
    • H01L31/1848—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P comprising nitride compounds, e.g. InGaN, InGaAlN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1852—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising a growth substrate not being an AIIIBV compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/002—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap
    • H01L33/0025—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap comprising only AIIIBV compounds

Definitions

  • Nanowires or microwires in radial configuration may, however, have a mismatch between the semiconductor compound forming the active zone and the one forming the first doped portion. Such mesh clash is likely to result in degradation of the electronic and / or optical properties of the nanowires or microwires.
  • the object of the invention is to remedy at least in part the disadvantages of the prior art.
  • the object of the invention is an optoelectronic device, comprising at least one three-dimensional semiconductor structure extending along a longitudinal axis substantially orthogonal to a plane of a substrate on which it rests, and comprising a first doped portion, extending from the substrate along the axis longitudinal, and made of a first semiconductor compound; an active zone comprising at least one quantum well, and extending from the first doped portion; a second doped portion, at least partially covering the active zone.
  • the active zone is made based on said second semiconductor compound.
  • the active zone is made of one or more semiconductor materials which each comprise at least the same elements as those of the second semiconductor compound. It therefore does not include a layer made of the first semiconductor compound.
  • it consists of at least one semiconductor compound comprising at least the same elements as the first semiconductor compound and at least the additional element.
  • the mismatch between the first and second semiconductor compounds then introduces a constraint in terms of the thickness of the second semiconductor compound, and / or in terms of the atomic proportion of the additional element in the second semiconductor compound.
  • the first doped portion 10 of the wire rests on the substrate 3 at the level of the nucleation layer 5. It has a wire shape which extends along the longitudinal axis ⁇ , and forms the heart of the wire heart / shell configuration. It has an end 11, opposite to the substrate, delimited longitudinally by a so-called upper face 14.
  • the upper face 14 extends here substantially orthogonal to the longitudinal axis ⁇ but can be inclined with respect to the axis ⁇ , or even be formed of one or more so-called then elementary faces.
  • the first doped portion 10 is made of n-type doped GaN, in particular with silicon.
  • the first doped portion 10 here has an average diameter approximately equal to the local diameter.
  • the average diameter of the first doped portion 10 can be between 1 m and ⁇ , for example between soonm and 5 ⁇ , and is here substantially equal to ⁇ .
  • the height of the first doped portion may be between 1oonm and ⁇ , for example between soonm and 5 ⁇ , and here is substantially equal to 5 ⁇ .
  • the expanded monocrystalline portion then has a good crystalline quality, with a limited density of structural defects.
  • the density of structural defects that is to say the number of defects per unit volume, decreases in particular with the increase in the volume of the expanded monocrystalline portion.
  • the structural defects, of the dislocation type are essentially derived from a plastic relaxation of the second semiconductor compound in the nucleation zone from the upper face of the first doped portion, and are not substantially generated by the enlargement. of the enlarged monocrystalline portion.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un dispositif optoélectronique (1), comportant au moins un microfil ou nanofil (2) s'étendant suivant un axe longitudinal (Δ) sensiblement orthogonal à un plan d'un substrat (3), et comportant : - une première portion dopée (10) réalisée en un premier composé semiconducteur; - une zone active (30) s'étendant à partir de la première portion dopée (10); - une seconde portion dopée (20), recouvrant au moins en partie la zone active (30); caractérisé en ce que la zone active comporte une portion monocristalline élargie (31) : - formée d'un monocristal d'un second composé semiconducteur formé d'un mélange du premier composé semiconducteur et d'au moins un élément supplémentaire; - s'étendant à partir d'une face supérieure (14) d'une extrémité (11) de la première portion dopée (10), et - présentant un diamètre moyen supérieur à celui de la première portion dopée.

Description

DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE COMPORTANT DES STRUCTURES SEMICONDUCTRICES TRIDIMENSIONNELLES A PORTION MONOCRISTALLINE ELARGIE
D OMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optoélectroniques comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles, telles que des nanofils ou microfils, adaptées à émettre ou détecter un rayonnement lumineux.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il existe des dispositifs optoélectroniques comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles de type nanofils ou microfils formant par exemple des diodes électroluminescentes. Les nanofils ou microfils comportent habituellement une première portion dopée, par exemple de type n, de forme filaire, et une seconde portion dopée du type de conductivité opposé, par exemple de type p, entre lesquelles se situe une zone active comportant au moins un puits quantique.
Les nanofils ou microfils peuvent être réalisés dans une configuration dite axiale, dans laquelle la zone active et la seconde portion dopée p s'étendent essentiellement dans le prolongement de la première portion dopée, suivant un axe longitudinal de croissance épitaxiale, sans entourer la périphérie de cette dernière. Ils peuvent également être réalisés dans une configuration dite radiale, également appelée cœur/coquille, dans laquelle la zone active et la seconde portion dopée p entourent une extrémité de la première portion dopée n.
Les nanofils ou microfils en configuration radiale peuvent cependant présenter un désaccord de maille entre le composé semiconducteur formant la zone active et celui formant la première portion dopée. Un tel désaccord de maille est susceptible d'entraîner une dégradation des propriétés électroniques et/ou optiques des nanofils ou microfils.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur. Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif optoélectronique, comportant au moins une structure semiconductrice tridimensionnelle s'étendant suivant un axe longitudinal sensiblement orthogonal à un plan d'un substrat sur lequel elle repose, et comportant une première portion dopée, s'étendant à partir du substrat suivant l'axe longitudinal, et réalisée en un premier composé semiconducteur ; une zone active comportant au moins un puits quantique, et s'étendant à partir de la première portion dopée ; une seconde portion dopée, recouvrant au moins en partie la zone active.
Selon l'invention, la zone active comporte une portion monocristalline élargie formée d'un monocristal d'un second composé semiconducteur formé d'un mélange du premier composé semiconducteur et d'au moins un élément supplémentaire ; s'étendant à partir d'une face supérieure d'une extrémité de la première portion dopée opposée au substrat ; et présentant un diamètre moyen supérieur à celui de la première portion dopée.
De plus, la zone active est réalisée à base dudit second composé semiconducteur. Autrement dit, la zone active est réalisée en un ou plusieurs matériaux semiconducteurs qui comportent chacun au moins les mêmes éléments que ceux du second composé semiconducteur. Elle ne comporte donc pas de couche réalisée en le premier composé semiconducteur. De préférence, elle est constituée d'au moins un composé semiconducteur comportant au moins les mêmes éléments que le premier composé semiconducteur et au moins l'élément supplémentaire.
Ainsi, on limite le désaccord de maille dans la zone active par le fait qu'elle est réalisée à base du même composé semiconducteur. Le désaccord de maille le plus important est alors reporté à l'interface entre le premier composé semiconducteur de la première portion dopée et le second composé semiconducteur du monocristal. Il est alors possible de réaliser une zone active de plus grande épaisseur et/ou à plus grande proportion atomique de l'élément supplémentaire, alors que la première portion dopée est réalisée en le premier composé semiconducteur.
Par mélange, on entend un alliage, et de préférence un alliage ternaire, formé du premier composé semiconducteur, par exemple du GaN, et de l'élément supplémentaire, par exemple de l'indium. Dans cet exemple, le deuxième composé semiconducteur est de l'InGaN.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif optoélectronique sont les suivants.
La zone active peut comporter des puits quantiques multiples qui recouvrent au moins une partie de la portion monocristalline élargie. Les puits quantiques multiples peuvent être formés d'une alternance de couches barrières et de couches formant des puits quantiques, lesdites couches barrières et puits quantiques étant réalisées à base du second composé semiconducteur. Les couches barrières présentent une première valeur non nulle de proportion atomique en ledit élément supplémentaire du second composé semiconducteur. Et les puits quantiques présentent une deuxième valeur de proportion atomique en ledit élément supplémentaire supérieure à la première valeur.
Ainsi, on limite le désaccord de maille entre les puits quantiques multiples réalisés à base du second composé semiconducteur et la première portion dopée réalisée en le premier composé semiconducteur. En limitant le désaccord de maille, il est possible de réaliser des puits quantiques de plus grande épaisseur et/ou à plus grande proportion atomique de l'élément supplémentaire.
De préférence, le second composé semiconducteur de la portion monocristalline élargie peut être dopé du même type de conductivité que celui de la première portion dopée. De préférence, le premier composé semiconducteur est du nitrure de gallium et le second composé semiconducteur est du nitrure de gallium et d'indium.
De préférence, la première valeur de proportion atomique en ledit élément supplémentaire des couches barrières est comprise entre 15% et 23%, et la deuxième valeur de proportion atomique en ledit élément supplémentaire des puits quantiques est comprise entre 22% et 30%. Ainsi, dans le cas où le premier composé semiconducteur est du GaN et le second composé semiconducteur de l'InGaN, il est possible de réaliser des puits quantiques dont la proportion atomique d'indium permet d'émettre un rayonnement lumineux dans le vert, c'est-à-dire dont le spectre d'émission présente un pic d'intensité à une longueur d'onde comprise entre 495nm et sôonm, par exemple égale à 530nm environ, tout en ayant un rendement quantique interne amélioré alors que la première portion dopée est réalisée en GaN.
De préférence, le monocristal présente une proportion atomique en ledit élément supplémentaire égale à celle de la couche barrière en contact avec celui-ci. Ainsi, on limite le désaccord de maille entre le monocristal et la couche barrière en contact avec celui-ci, le désaccord de maille le plus important étant reporté à l'interface entre le premier composé semiconducteur de la première portion dopée et le second composé semiconducteur du monocristal, ce qui permet de limiter les contraintes mécaniques entre le monocristal et la couche barrière en contact. Il est alors possible de réaliser des puits quantiques de plus grande épaisseur et/ou à plus grande proportion atomique de l'élément supplémentaire La portion monocristalline élargie peut présenter une épaisseur moyenne, suivant l'axe longitudinal, supérieure à 10 nm.
La portion monocristalline élargie peut présenter un diamètre moyen supérieur à 110% du diamètre moyen de la première portion dopée.
Ledit puits quantique peut être réalisé en un matériau semiconducteur à base du second composé semiconducteur. Le premier composé semiconducteur peut être choisi parmi les composés III-V, les composés II-VI et les éléments ou composés IV, et de préférence est un composé III-N.
La seconde portion dopée peut être au moins en partie entourée par une électrode de polarisation.
La portion monocristalline élargie peut former un unique puits quantique, le second composé semiconducteur étant de préférence non intentionnellement dopé.
La portion monocristalline élargie peut présenter au moins deux faces semi-polaires d'inclinaisons différentes par rapport à l'axe longitudinal, lesdites faces semi-polaires étant recouvertes par au moins un puits quantique revêtu par la seconde portion dopée.
Le dispositif optoélectronique peut comporter au moins deux électrodes de polarisation adaptées à polariser chacune une partie de la seconde portion dopée située au niveau de l'une ou l'autre desdites faces semi-polaires.
L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, dans lequel la structure semiconductrice tridimensionnelle est formée par dépôt chimique en phase vapeur, le premier composé semiconducteur étant un composé III-V.
De préférence, lors de la formation de la première portion dopée, un rapport V/III entre un flux du gaz précurseur de l'élément V sur un flux du gaz précurseur de l'élément III présente une valeur inférieure ou égale à 100, et dans lequel lors de la formation de la portion monocristalline élargie, ledit rapport V/III présente une valeur supérieure ou égale à 500.
De préférence, lors de la formation de la première portion dopée, un rapport H2/N2 entre une proportion de flux molaire d'hydrogène sur une proportion de flux molaire d'azote présente une valeur supérieure ou égale à 60/40, de préférence supérieure ou égale à 70/30, et dans lequel lors de la formation de la portion monocristalline élargie, ledit rapport H2/N2 présente une valeur inférieure ou égale à 40/60, de préférence inférieure ou égale à 30/70.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, d'un exemple de dispositif optoélectronique comportant des nanofils ou microfils en configuration radiale ; la figure 2 est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, d'un premier mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique comportant des nanofils ou microfils en configuration radiale et dont la zone active comprend une portion monocristalline élargie entourée par des puits quantiques multiples ;
la figure 3 est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, du dispositif optoélectronique représenté sur la figure 2, illustrant les angles d'inclinaison a et β que forment respectivement les bordures latérale et supérieure vis-à-vis de l'axe longitudinal Δ du fil ;
la figure 4 est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, d'une variante du premier mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique ;
la figure 5 est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, d'un second mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique comportant des nanofils ou microfils en configuration radiale et dont la zone active comprend une portion monocristalline élargie formant un puits quantique unique ;
les figures 6 et 7 sont des vues partielles et schématiques, en coupe transversale, de deux variantes du dispositif optoélectronique selon le premier mode de réalisation dans lesquelles la ou les secondes électrodes de polarisation sont agencées pour polariser différentes parties de la seconde portion dopée reposant sur des faces semi-polaires des fils.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les termes « sensiblement », « approximativement », « environ » s'entendent « à 10% près ».
L'invention porte sur un dispositif optoélectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles adaptées à former des diodes électroluminescentes ou des photodiodes.
Les structures semiconductrices tridimensionnelles présentent une forme allongée suivant un axe longitudinal Δ, c'est-à-dire dont la dimension longitudinale suivant l'axe longitudinal Δ est supérieure aux dimensions transversales. Les structures tridimensionnelles sont alors appelées « fils », « nanofils » ou « microfils ». Les dimensions transversales des fils, c'est- à-dire leurs dimensions dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal Δ, peuvent être comprises entre îonm et ιομηι, par exemple comprises entre îoonm et ιομηι, et de préférence comprises entre 100 nm et 5μηι. La hauteur des fils, c'est-à-dire leur dimension longitudinale suivant l'axe longitudinal Δ, est supérieure aux dimensions transversales, par exemple 2 fois, 5 fois et de préférence au moins 10 fois supérieure.
La section droite des fils, dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal Δ, peut présenter différentes formes, par exemple une forme circulaire, ovale, polygonale par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire voire hexagonale. On définit ici le diamètre comme étant une grandeur associée au périmètre du fil au niveau d'une section droite. Il peut s'agir du diamètre d'un disque présentant la même surface que la section droite du fil. Le diamètre local est le diamètre du fil à une hauteur donnée de celui-ci suivant l'axe longitudinal Δ. Le diamètre moyen est la moyenne, par exemple arithmétique, des diamètres locaux le long du fil ou d'une portion de celui-ci.
La figure 1 illustre schématiquement une vue partielle en coupe d'un exemple de dispositif optoélectronique 1 comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles 2 formant des diodes électroluminescentes filaires en configuration radiale.
On définit ici et pour la suite de la description un repère orthonormé tridimensionnel (Χ,Υ,Ζ), où le plan (X,Y) est sensiblement parallèle au plan d'un substrat du dispositif optoélectronique, l'axe Z étant orienté suivant une direction sensiblement orthogonale au plan du substrat.
Dans cet exemple, une première portion 10, dopée d'un premier type de conductivité, se présente sous la forme d'un fil qui s'étend suivant un axe longitudinal Δ, celui-ci étant orienté de manière sensiblement orthogonale au plan (X,Y) d'une face avant 3b d'un substrat 3. L'extrémité 11 de la première portion dopée 10, opposée au substrat 3, est recouverte, au niveau de sa bordure supérieure 14 et de sa bordure latérale 13, par une couche ou un empilement de couches formant une zone active 30 qui comporte au moins un puits quantique. La zone active 30 est elle-même recouverte par une couche formant une seconde portion 20, dopée d'un second type de conductivité opposé au premier type. La première portion dopée 10 et la seconde portion dopée 20 forment respectivement le cœur et la coquille du fil 2 dit en configuration cœur/coquille.
Le fil 2 est réalisé à base d'un premier composé semiconducteur, par exemple du GaN. Ainsi, les première et seconde portions dopées 10, 20 peuvent être réalisées en GaN dopé respectivement de type n et de type p. La zone active 30 comporte au moins un puits quantique sous forme d'une couche située entre les première et seconde portions dopées 10, 20, et réalisée en un second composé semiconducteur formé d'un mélange du premier composé semiconducteur et d'au moins un élément supplémentaire, par exemple de 1'InGaN, de sorte que son énergie de bande interdite soit inférieure à celles des première et seconde portions dopées 10, 20. La couche formant le puits quantique peut être disposée entre deux couches barrières assurant un meilleur confinement des porteurs de charge.
Les inventeurs ont mis en évidence un inconvénient provenant alors du désaccord de maille entre le premier composé semiconducteur de la première portion dopée, ici le GaN, et le second composé semiconducteur de la zone active, ici l'InGaN. Un tel désaccord de maille peut se traduire par l'apparition de défauts structuraux à l'interface entre les premier et second composés semiconducteurs, défauts susceptibles de dégrader les propriétés électroniques et/ou optiques de la zone active. Le désaccord de maille s'entend comme la différence relative entre le paramètre de maille ac2 du second composé semiconducteur et celui aci du premier composé semiconducteur, et peut s'exprimer par le paramètre Aa/a = (aC2-aci)/aC2. Le second composé semiconducteur croît avec un paramètre de maille sensiblement égal à celui du premier composé semiconducteur mais subit une déformation de sa structure cristallographique qui se traduit par la génération de contraintes mécaniques, notamment en compression ou en tension. A partir d'une épaisseur dite critique, de l'ordre de îonm, les contraintes subies par le second composé semiconducteur peuvent relaxer et provoquer l'apparition de défauts structuraux, par exemple des dislocations dites de désaccord de maille localisées à l'interface entre les premier et second composés semiconducteurs, entraînant alors une dégradation des propriétés électroniques et/ ou optiques du fil.
Le désaccord de maille entre les premier et second composés semiconducteurs introduit alors une contrainte en termes d'épaisseur du second composé semiconducteur, et/ou en termes de proportion atomique de l'élément supplémentaire dans le second composé semiconducteur. Ces inconvénients viennent notamment limiter la réalisation de diodes électroluminescentes aptes à émettre à des grandes longueurs d'onde, par exemple dans le vert ou le rouge, ainsi que la réalisation de diodes électroluminescentes à zone active de grande épaisseur.
Les figures 2 et 3 illustrent schématiquement une vue partielle en coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 1 comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles 2 formant des diodes électroluminescentes filaires en configuration radiale.
Dans cet exemple, le dispositif optoélectronique 1 comporte :
- un substrat 3, par exemple réalisé en un matériau semiconducteur, présentant deux faces, dite arrière 3a et avant 3b, opposées l'une à l'autre ; - une première électrode de polarisation 4, ici en contact avec la face arrière 3a du substrat ;
- une couche de nucléation 5, réalisée en un matériau adapté à la croissance épitaxiale des structures semiconductrices tridimensionnelles, recouvrant la face avant 3b du substrat ;
- au moins une structure semiconductrice tridimensionnelle 2, ici sous forme d'un fil, qui s'étend à partir de la couche de nucléation 5 suivant un axe longitudinal Δ orienté de manière sensiblement orthogonale au plan (X,Y) de la face avant 3b du substrat 3, le fil 2 comportant une première portion dopée 10 en contact avec la couche de nucléation 5, une zone active 30 et une seconde portion dopée 20 ;
- une couche de seconde électrode de polarisation 6, en contact avec la seconde portion dopée 20.
Le fil 2 représenté ici présente une configuration radiale, ou configuration cœur/coquille, dans la mesure où la seconde portion dopée 20 entoure et recouvre au moins en partie la zone active 30, et notamment la bordure latérale de celle-ci. Il présente donc une configuration qui se distingue de la configuration axiale dans laquelle la portion dopée n, la zone active et la portion dopée p sont empilées les unes sur les autres suivant l'axe longitudinal du fil, sans que la bordure latérale de la zone active ne soit sensiblement recouverte par la portion dopée p.
Par bordure latérale ou supérieure, on entend une surface d'une partie du fil qui s'étend respectivement de manière sensiblement parallèle ou orthogonale à l'axe longitudinal Δ. Une bordure latérale peut être également appelée bordure radiale, ou flanc latéral. Une bordure supérieure peut être également appelée bordure axiale.
Comme l'illustre la figure 3, les bordures latérales peuvent être inclinées lorsqu'elles forment un angle d'inclinaison a non nul avec l'axe longitudinal Δ. A titre d'exemple, la bordure 33 de la zone active 30 est ici dite inclinée dans la mesure où elle forme un angle d'inclinaison a vis-à-vis de l'axe longitudinal Δ différent de 0°, et en particulier strictement supérieur à 0° et strictement inférieur à 900, ou strictement inférieur à 0° et strictement supérieur à -900. De manière similaire, une bordure supérieure, par exemple ici la bordure 34 de la zone active 30, est dite inclinée lorsqu'elle forme un angle d'inclinaison β vis-à-vis de l'axe longitudinal Δ différent de 900, et en particulier strictement supérieur à 900 et strictement inférieur à 1800, ou strictement inférieur à 900 et strictement supérieur à 0°.
Le substrat 3 est ici une structure semiconductrice, par exemple en silicium. Il peut être monobloc ou formé d'un empilement de couches tel qu'un substrat du type SOI (acronyme de Silicon On Insulator, en anglais). Plus largement, le substrat peut être en un matériau semiconducteur, par exemple en silicium, en germanium, en carbure de silicium, ou en un composé III-V ou II- VI. Il peut également être en un matériau métallique ou en un matériau isolant. Il peut comporter une couche de graphène, de sulfure ou séléniure de molybdène (M0S2, MoSe2), ou de tout autre matériau équivalent. Dans cet exemple, le substrat est en silicium monocristallin de type n fortement dopé.
La première électrode de polarisation 4 est en contact avec le substrat 3, ici électriquement conducteur, par exemple au niveau de sa face arrière 3a. Elle peut être réalisée en aluminium ou en tout autre matériau adapté.
La couche de nucléation 5 est réalisée en un matériau favorisant la nucléation et la croissance des fils, par exemple en nitrure d'aluminium (AIN) ou en oxyde d'aluminium (AI2O3), en nitrure de magnésium (MgxNy), en nitrure ou en carbure d'un métal de transition ou en tout autre matériau adapté. L'épaisseur de la couche de nucléation peut être de l'ordre de quelques nanomètres ou quelques dizaines de nanomètres. Dans cet exemple, la couche de nucléation est en AIN.
La première portion dopée 10 du fil repose sur le substrat 3 au niveau de la couche de nucléation 5. Elle présente une forme filaire qui s'étend suivant l'axe longitudinal Δ, et forme le cœur du fil en configuration cœur/coquille. Elle présente une extrémité 11, opposée au substrat, délimitée longitudinalement par une face dite supérieure 14. La face supérieure 14 s'étend ici de manière sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal Δ mais peut être inclinée vis-à-vis de l'axe Δ, voire être formée d'une ou plusieurs faces dites alors élémentaires.
La première portion dopée 10 est réalisée en un premier composé semiconducteur, qui peut être choisi parmi les composés III-V comportant au moins un élément de la colonne III et au moins un élément de la colonne V du tableau périodique, parmi les composés II-VI comportant au moins un élément de la colonne II et au moins un élément de la colonne VI, ou parmi les éléments ou composés IV comportant au moins un élément de la colonne IV. A titre d'exemple, des composés III-V peuvent être des composés III-N, tels que GaN, InGaN, AlGaN, AIN, InN ou AlInGaN, voire des composés comportant un élément de la colonne V du type arsenic ou phosphore, par exemple l'AsGa ou l'InP. Par ailleurs, des composés II-VI peuvent être CdTe, HgTe, CdHgTe, ZnO, ZnMgO, CdZnO ou CdZnMgO. Enfin, des éléments ou composés IV peuvent être utilisés, tels que Si, C, Ge, SiC, SiGe, ou GeC. La première portion est dopée selon un premier type de conductivité.
Dans cet exemple, la première portion dopée 10 est réalisée en GaN dopé de type n, notamment par du silicium. La première portion dopée 10 présente ici un diamètre moyen approximativement égal au diamètre local. Le diamètre moyen de la première portion dopée 10 peut être compris entre îonm et ιομηι, par exemple compris entre soonm et 5μηι, et est ici sensiblement égal à ΐμηι. La hauteur de la première portion dopée peut être comprise entre îoonm et ιομηι, par exemple comprise entre soonm et 5μηι, et est ici sensiblement égale à 5μηι.
Dans cet exemple, une couche diélectrique 7 recouvre ici la couche de nucléation 5 et forme un masque de croissance autorisant l'épitaxie des fils à partir d'ouvertures débouchant localement sur la couche de nucléation, et une seconde couche diélectrique 8 recouvre la bordure latérale de la première portion dopée 10.
La zone active 30 est la portion du fil 2 au niveau de laquelle est émis l'essentiel du rayonnement lumineux du fil. Elle comprend au moins un puits quantique réalisé en un composé semiconducteur présentant une énergie de bande interdite inférieure à celles de la première portion dopée 10 et de la seconde portion dopée 20. Elle s'étend à partir de l'extrémité 11 de la première portion dopée 10 et plus précisément à partir de la face supérieure 14. Comme détaillé plus loin, la zone active 30 peut comporter un unique puits quantique ou des puits quantiques multiples sous forme de couches ou de boîtes intercalées entre des couches barrières.
La zone active 30 comporte une portion monocristalline dite élargie 31 qui s'étend suivant l'axe longitudinal Δ à partir de la face supérieure 14 de l'extrémité 11 de la première portion dopée 10.
La portion monocristalline élargie 31 est formée d'un monocristal d'un second composé semiconducteur, différent du premier composé semiconducteur dans le sens où il comprend au moins un élément supplémentaire non contenu dans le premier composé. Le second composé est ainsi formé d'un mélange du premier composé et d'au moins un élément supplémentaire. La proportion atomique de l'élément supplémentaire est choisie en fonction des propriétés optiques et/ou électroniques recherchées et notamment du spectre d'émission du fil. A titre d'exemple, dans le cas d'une première portion dopée 10 réalisée en GaN, le second composé est préférentiellement de l'InGaN, de formule générale InxGa(i-x)N, avec par exemple un pourcentage atomique d'indium de l'ordre de 18%. Le second composé semiconducteur de la portion monocristalline élargie 31 peut être non intentionnellement dopé, ou dopé selon le même type de conductivité et éventuellement au même niveau de dopage que la première portion dopée 10.
La portion monocristalline élargie 31 est formée d'un unique cristal du second composé semiconducteur, délimité par une base 32 en contact avec la face supérieure 14 de la première portion dopée 10, une bordure latérale 33 et une bordure supérieure 34. Comme détaillé plus loin, les bordures latérale 33 et supérieure 34 peuvent présenter des faces semi- polaires, c'est-à-dire des faces inclinées vis-à-vis de l'axe longitudinal Δ.
La portion monocristalline 31 est dite élargie dans la mesure où elle présente un diamètre moyen supérieur au diamètre moyen de la première portion dopée 10. Elle présente ainsi un diamètre moyen qui peut être compris entre 1,1 et 20 fois le diamètre moyen de la première portion dopée 10, par exemple compris entre 2 et 10 fois le diamètre moyen de la première portion dopée 10, et est ici sensiblement égal à 5μηι.
De plus, la portion monocristalline élargie 31 peut présenter une épaisseur moyenne supérieure à îonm qui est l'ordre de grandeur de l'épaisseur critique du second composé semiconducteur, ici l'InGaN. L'épaisseur locale est l'épaisseur de la portion monocristalline élargie 31 suivant un axe donné parallèle à l'axe longitudinal Δ à partir de la surface supérieure de la première portion dopée. L'épaisseur moyenne est la moyenne, par exemple arithmétique, des épaisseurs locales. L'épaisseur moyenne peut être comprise entre îonm et 2θμηι, par exemple comprise entre soonm et ιομηι, et est ici sensiblement égale à 5μηι. La zone active 30 comporte au moins un puits quantique, qui recouvre ici au moins en partie la portion monocristalline élargie 31, et en particulier ses bordures latérale 33 et supérieure 34. Dans cet exemple, la zone active comporte des puits quantiques multiples 35 se présentant sous forme d'un empilement de couches, dont une ou plusieurs couches forment des puits quantiques intercalés entre deux couches barrières.
Les couches formant les puits quantiques, et de préférence également les couches barrières, sont réalisées dans un matériau semiconducteur à base du second composé semiconducteur, c'est-à-dire comportant au moins les mêmes éléments que le second composé semiconducteur, ici en InGaN. Elles sont de préférence réalisées dans le même second composé semiconducteur, avec des fractions molaires différentes pour les couches barrières et pour les puits quantiques.
Les couches barrières peuvent ainsi être réalisées en InxiGai-xiN avec une proportion atomique d'indium xi comprise entre 15% et 23% environ, par exemple égale à 18% environ, et les couches formant les puits quantiques peuvent être réalisées en Inx2Gai-x2N avec une proportion atomique d'indium x2 comprise entre 22% et 30% environ, par exemple égale à 25% environ, permettant ici d'obtenir une longueur d'onde d'émission comprise entre 495nm et sôonm environ, par exemple égale à soonm environ. La proportion atomique x2 est supérieure à la proportion atomique xi. La diode électroluminescente est alors d'émettre un rayonnement lumineux dans le vert, avec un bon rendement lumineux dans la mesure où le rendement quantique interne est amélioré par le fait qu'on limite le désaccord de maille entre la portion monocristalline en InGaN et les puits quantiques multiples alors même que la première portion dopée est réalisée en GaN. De préférence, la portion monocristalline en InGaN présente une proportion atomique égale à celle de la couche barrière qui est en contact avec elle.
La seconde portion dopée 20 forme une couche qui recouvre et entoure au moins en partie la zone active 30, c'est-à-dire ici la portion monocristalline élargie 31 et les puits quantiques multiples 35. Elle est réalisée en un composé semiconducteur dopé d'un second type de conductivité opposé au premier type. Le composé semiconducteur peut être le premier composé semiconducteur, à savoir ici le GaN, ou de préférence le second composé semiconducteur, à savoir ici l'InGaN. Il peut également comporter un ou plusieurs éléments supplémentaires. Dans cet exemple, la seconde portion dopée 20 est réalisée en InGaN, et est dopée de type p, notamment par du magnésium. L'épaisseur de la seconde portion dopée peut être comprise entre 20 nm et 500 nm, par exemple de l'ordre de 150 nm.
La seconde portion dopée 20 peut comprendre une couche de blocage d'électrons (non représentée) située à l'interface avec la zone active 30. La couche de blocage d'électrons peut ici être formée d'un composé ternaire III-N, par exemple de l'AlGaN ou de ΓΑΐΙηΝ, avantageusement dopée p. Elle permet d'accroître le taux de recombinaisons radiatives au sein de la zone active.
La seconde électrode de polarisation 6 recouvre ici la seconde portion dopée 20 et est adaptée à appliquer une polarisation électrique au fil 2. Elle est réalisée en un matériau sensiblement transparent vis-à-vis du rayonnement lumineux émis par le fil, par exemple de l'oxyde d'indium étain (ITO, pour Indium Tin Oxide). Elle présente une épaisseur de quelques nanomètres à quelques dizaines ou centaines de nanomètres.
Ainsi, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée au fil 2 dans un sens direct par l'intermédiaire des deux électrodes de polarisation, le fil 2 émet un rayonnement lumineux dont le spectre d'émission présente un pic d'intensité à une longueur d'onde dépendant principalement de la composition du ou des puits quantiques.
Il ressort ainsi que le fil, en configuration radiale, comprend une zone active à puits quantique comportant une portion monocristalline élargie, celle-ci reposant sur une face supérieure de la première portion dopée, cette face supérieure formant ainsi un germe de nucléation pour la portion monocristalline élargie.
Ainsi, malgré le désaccord de maille entre le premier composé semiconducteur de la première portion dopée et le second composé semiconducteur de la portion monocristalline élargie, cette dernière présente une structure cristallographique sensiblement relaxée, c'est- à-dire non contrainte, son paramètre de maille étant sensiblement identique au paramètre de maille naturel du composé. Cela s'explique par le fait qu'à la différence du fil décrit en référence à la figure 1, la surface permettant la nucléation de la portion monocristalline élargie est réduite et inférieure au diamètre moyen de la portion monocristalline.
La portion monocristalline élargie présente alors une bonne qualité cristalline, avec une densité limitée de défauts structuraux. La densité de défauts structuraux, c'est-à-dire le nombre de défauts par unité de volume, diminue en particulier avec l'augmentation du volume de la portion monocristalline élargie. En effet, les défauts structuraux, du type dislocation, sont essentiellement issus d'une relaxation plastique du second composé semiconducteur dans la zone de nucléation à partir de la face supérieure de la première portion dopée, et ne sont sensiblement pas engendrés par l'élargissement de la portion monocristalline élargie.
Ainsi, la zone active peut comporter au moins un puits quantique, réalisé en un matériau à base du second composé semiconducteur, et qui repose sur la portion monocristalline élargie ou qui est formé par celle-ci. On limite ainsi dans la zone active, en particulier au niveau du ou des puits quantiques, les effets du désaccord de maille entre le premier composé semiconducteur de la première portion dopée et le matériau semiconducteur formant le ou les puits quantiques. Le ou les puits quantiques présentent alors une qualité cristalline améliorée et donc un rendement quantique interne augmenté.
Il est alors possible de réduire voire de s'affranchir des limites, mentionnées en référence à la figure 1, relatives à l'épaisseur des puits quantiques et/ou à la proportion atomique de l'élément supplémentaire. Il est en effet possible de réaliser une zone active dont le ou les puits quantiques présentent une grande épaisseur, supérieure à l'épaisseur critique, et/ou présentent une proportion atomique importante de l'élément supplémentaire, ici d'indium.
Enfin, dans l'exemple de la figure 2, les puits quantiques multiples recouvrent et entourent au moins en partie la portion monocristalline élargie, ce qui permet d'obtenir une plus grande surface d'émission. Cette surface d'émission augmentée, conjuguée au rendement quantique interne optimisé, permet d'augmenter également le rendement optique du fil, celui-ci étant défini comme le rapport du flux lumineux émis sur la puissance électrique absorbée.
Lorsque la zone active est formée à base du deuxième composé semiconducteur, par exemple à base d'InGaN, on limite les contraintes mécaniques dans la zone active alors même que la première portion dopée est réalisée en le premier composé semiconducteur, par exemple en GaN. On améliore ainsi le meilleur rendement quantique. Il est possible de réaliser une zone active de plus grande épaisseur et/ou d'incorporer davantage d'élément supplémentaire du second composé semiconducteur, par exemple d'indium dans le cas de l'InGaN. Dans le cas où la zone active est formée des puits quantiques multiples 35 qui recouvrent au moins une partie de la portion monocristalline élargie 31, formés d'une alternance de couches barrières présentant une première valeur Inxi non nulle de proportion atomique en indium et de couches formant des puits quantiques présentant une deuxième valeur Inx2 de proportion atomique en indium supérieure à la première valeur Inxl, il est possible de réaliser une zone active dont la valeur xi est comprise entre 15% et 23% et dont la valeur x2 est comprise entre 22% et 30%, alors même que la première portion dopée est réalisée en GaN. La diode est en mesure d'émettre un rayonnement lumineux dans le vert, avec un bon rendement lumineux dans la mesure où le rendement quantique interne est amélioré.
Un exemple de procédé de réalisation du dispositif optoélectronique illustré sur la figure 2 est maintenant décrit. Dans cet exemple, le fil 2 est réalisé par croissance épitaxiale par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD, pour Metal-Organic Chem ical Vapor Déposition, en anglais) et sont ici réalisés à base de GaN.
Dans le cadre d'une croissance épitaxiale de type MOCVD, les paramètres influençant la croissance épitaxiale sont notamment :
le rapport V/III nominal, défini comme le rapport entre le flux molaire d'éléments de la colonne V sur le flux molaire d'éléments de la colonne III, c'est-à-dire ici le rapport N/Ga lors de la croissance de la première portion dopée réalisée en GaN, et le rapport N/(Ga+In), lors de la croissance de la portion monocristalline élargie et les puits quantiques multiples, réalisés en InGaN ;
le rapport H2/N2), défini comme le rapport entre la proportion de flux molaire de H2 dans le gaz porteur de H2 et de N2, à savoir φΗ2/ (φΗ2+φ 2), sur la proportion de flux molaire de N2, à savoir φ 2/(φΗ2+φ 2), ψΗ2 et φΝ2 étant respectivement les flux molaires d'hydrogène et d'azote ;
la température de croissance T, mesurée ici au niveau du substrat.
Lors d'une première étape, on forme la première portion dopée 10 par croissance épitaxiale à partir de la couche de nucléation 5. L'épitaxie peut être effectuée à partir d'ouvertures formées dans un masque de croissance 7 en un matériau diélectrique, par exemple du Si3N4, préalablement déposé sur la couche de nucléation 5.
La température de croissance est portée à une première valeur ΊΊ, par exemple comprise entre 950°C et noo°C, et notamment comprise entre 990°C et io6o°C. Le rapport V/III nominal, ici le rapport N/Ga, présente une première valeur (V/III)i comprise entre 10 et 100 environ, par exemple sensiblement égale à 30. Les éléments du groupe III et du groupe V sont issus de précurseurs injectés dans le réacteur d'épitaxie, par exemple le triméthylgallium (TMGa) ou le triéthylgallium (TEGa) pour le gallium, et l'ammoniac (NH3) pour l'azote. Le rapport H2/N2 présente une première valeur (H2/N2)i supérieure ou égale à 60/40, de préférence supérieure ou égale à 70/30, voire davantage, par exemple sensiblement égale à 90/10. La pression peut être fixée à 8oombar environ.
On obtient ainsi une première portion dopée 10 qui présente une forme d'un fil qui s'étend suivant l'axe longitudinal Δ. Le premier composé semiconducteur de la première portion dopée 10, à savoir ici le GaN, est dopé de type n par du silicium. La première portion dopée 10 présente ici une hauteur de 5μηι environ et un diamètre moyen de ΐμηι environ. Elle présente une face supérieure 14, opposée au substrat 3 et orientée suivant l'axe cristallographique c, sensiblement plane. Cette face supérieure 14 forme la face axiale 14 de l'extrémité de la première portion dopée, et assure la fonction de surface de nucléation pour la formation de la portion monocristalline élargie.
La formation d'une couche diélectrique 8 recouvrant la bordure latérale 13 de la première portion dopée 10 peut être effectuée simultanément à la formation de la première portion dopée. Pour cela, un précurseur d'un élément supplémentaire, par exemple du silane (SiH4) dans le cas du silicium, est injecté avec les précurseurs mentionnés précédemment, avec un rapport des flux molaires du précurseur du gallium sur le précurseur du silicium de préférence compris entre 500 et 5000 environ. On obtient ainsi une couche 8 de nitrure de silicium, par exemple du Si3N4 d'une épaisseur de l'ordre de îonm, qui revêt la bordure latérale 13 de la première portion dopée, ici sur toute sa hauteur.
Lors d'une seconde étape, on forme la portion monocristalline élargie 31 par croissance épitaxiale à partir de la face supérieure 14 de la première portion dopée 10.
La température de croissance est portée à une seconde valeur T2 inférieure à la valeur ΊΊ, par exemple comprise entre 700°C et 8oo°C, ici égale à 750°C environ. De manière à former un second composé semiconducteur comportant les éléments du premier composé ainsi qu'au moins un élément supplémentaire, on maintient l'injection des précurseurs des éléments III et V et on ajoute un précurseur de l'élément supplémentaire, par exemple du triméthylindium (TMIn) dans le cas de l'indium. Le rapport V/III nominal présente une seconde valeur (V/III)2 supérieure à la valeur (V/III)!, par exemple comprise entre 500 et 5000 environ, ici sensiblement égale à 1500. De plus, le rapport H2/N2 présente une seconde valeur (H2/N2)2 inférieure à la valeur (H2/N2)i et inférieure ou égale à 40/60, de préférence inférieure ou égale à 30/70, voire davantage, par exemple sensiblement égale à 3/97. Par ailleurs, la pression peut rester inchangée, et l'injection du précurseur de silicium est préalablement stoppée.
On obtient ainsi une portion monocristalline 31 du second composé semiconducteur, ici de l'InGaN avec une proportion atomique d'indium de l'ordre de 18%, par croissance épitaxiale à partir de la face supérieure 14 de la première portion dopée 10. De plus, l'augmentation de la valeur du rapport V/III, associée à la diminution du rapport H2/N2, conduit à l'élargissement de la portion monocristalline d'InGaN. La portion monocristalline élargie peut être non intentionnellement dopée, mais est avantageusement dopée selon le même type de conductivité et de préférence au même niveau de dopage que la première portion dopée 10, limitant ainsi la résistance série associée aux portions 10, 31.
Lors d'une troisième étape, on forme des puits quantiques multiples 35 par croissance épitaxiale à partir de la portion monocristalline élargie 31, ici au niveau de la bordure latérale 33 et de la bordure supérieure 34.
Plus précisément, on forme un empilement de couches barrières et d'au moins une couche formant un puits quantique, lesdites couches étant alternées dans le sens de la croissance épitaxiale. Les couches formant les puits quantiques et les couches barrières sont avantageusement réalisées dans un composé semiconducteur qui comprend les mêmes éléments que le second composé semiconducteur, à savoir ici l'InGaN, avec des proportions atomiques différentes pour les couches de puits quantiques et les couches barrières. A titre d'exemple, les couches barrières sont réalisées dans le second composé semiconducteur, ici de l'InxGa(i-x)N avec x égal à 18% atomique environ, et les couches de puits quantiques sont également réalisées en InyGa(i-y)N, avec y supérieur à x, par exemple de l'ordre de 25% atomique, de manière à améliorer le confinement quantique des porteurs de charge dans les puits quantiques.
La formation des couches barrières et des couches de puits quantiques peut être réalisée à une valeur T3 de température de croissance sensiblement égale à la valeur T2, à savoir ici 750°C. Le rapport V/III présente une valeur (V /III)3 sensiblement égale à la valeur (V /III)2. Le rapport H2/N2 présente une valeur sensiblement égale à la valeur (H2/N2)2 lors de la formation des couches barrières et présente une valeur sensiblement inférieure à la valeur (H2/N2)2 lors de la formation des couches de puits quantiques, par exemple 1/99. La pression peut rester inchangée. On obtient ainsi des couches barrières en InGaN avec 18% atomique environ d'indium et des couches de puits quantiques en InGaN avec 25% atomique environ d'indium.
Lors d'une quatrième étape, on forme la seconde portion dopée 20 par croissance épitaxiale de manière à recouvrir et entourer au moins en partie la zone active 30.
Pour cela, la température de croissance peut être portée à une quatrième valeur T4 supérieure à la valeur T3, par exemple de l'ordre de 885°C. Le rapport V/III peut être porté à une quatrième valeur (V/III)4 supérieure à la valeur (V/III)3, par exemple de l'ordre de 4000. Le rapport H2/N2 est porté à une quatrième valeur (H2/N2)4 supérieure à la valeur (H2/N2)2, par exemple de l'ordre de 15/85. Enfin, la pression peut être diminuée à une valeur de l'ordre de 300mbar.
On obtient ainsi une seconde portion dopée 20, par exemple en GaN ou InGaN dopé de type p, qui recouvre et entoure ici continûment la zone active 30, c'est-à-dire les puits quantiques multiples ainsi que la portion monocristalline élargie. La seconde portion dopée 20 forme ainsi la coquille du fil de configuration cœur/coquille.
Enfin, la seconde électrode de polarisation 6 peut être déposée de manière à être en contact avec au moins une partie de la seconde portion dopée 20. La seconde électrode 6 est réalisée en un matériau électriquement conducteur et transparent au rayonnement lumineux émis par les fils. Ainsi, l'application d'une différence de potentiel en direct aux fils par les deux électrodes de polarisation conduit à l'émission d'un rayonnement lumineux dont les propriétés du spectre d'émission dépend de la composition du ou des puits quantiques dans la zone active.
Selon un mode de réalisation, comme le représente les figures 2 et 3, la portion monocristalline élargie 31 présente des faces semi-polaires, formées par les bordures latérale 33 et supérieure 34. Les bordures latérale et supérieure forment des faces inclinées vis-à-vis de l'axe longitudinal Δ et correspondent à des plans cristallins semi-polaires. Ainsi, la bordure latérale inclinée correspond à des plans cristallins voisins du type (3 o -3 -2) incliné d'un angle a d'environ 200 par rapport à l'axe longitudinal Δ, et la bordure supérieure inclinée correspond des plans cristallins voisins du type (1 o -1 3) incliné d'un angle β d'environ 1200 par rapport à l'axe longitudinal Δ.
La différence d'inclinaison entre les différentes faces semi-polaires 33, 34 conduit à la formation de couches de puits quantiques qui diffèrent mutuellement par l'épaisseur et/ou la proportion atomique des éléments. En effet, dans le cas d'une couche formant un puits quantique réalisé en InGaN, le taux d'incorporation d'indium et/ou l'épaisseur de la couche formée est différent selon que le dépôt est effectué sur une face plus ou moins inclinée vis- à-vis de l'axe longitudinal Δ. Cela se traduit alors par des différences de propriétés optiques, notamment une différence de longueur d'onde d'émission, entre les puits quantiques reposant sur les faces semi-polaires. Le rayonnement lumineux émis par un tel fil peut alors présenter un spectre d'émission élargi lorsqu'il provient des puits quantiques situés sur les différentes faces semi-polaires.
La figure 4 illustre schématiquement une vue partielle en coupe d'une variante du premier mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 1 comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles 2 formant des diodes électroluminescentes filaires en configuration radiale et à puits quantiques multiples.
Le dispositif optoélectronique 1 se distingue de celui représenté sur la figure 2 essentiellement en ce que la couche diélectrique 8 recouvrant la bordure latérale 13 de la première portion dopée 10 ne s'étend pas sur toute la hauteur de cette dernière. Dans cet exemple, la couche diélectrique 8 s'étend à partir de la couche de nucléation 5 sur une hauteur Hx inférieure à la hauteur H2 de la première portion dopée 10. Par hauteur, on entend l'étendue longitudinale, suivant l'axe longitudinal Δ, d'une couche ou portion. Ainsi, une zone dite supérieure 13I1 de la bordure latérale 13 de la première portion dopée 10, qui s'étend à partir de la hauteur Hx jusqu'à la hauteur H2, n'est pas recouverte par la couche diélectrique 8, et est appelée zone libre.
Lors de la formation épitaxiale de la portion monocristalline élargie 31, une seconde portion élargie 36, peut être formée à partir de la bordure latérale 13 de la première portion dopée 10, au niveau de la zone libre 13I1. Cette seconde portion élargie 36 est réalisée également en le second composé semiconducteur et présente un diamètre moyen supérieur au diamètre moyen de la première portion dopée. Elle est ici recouverte par les puits quantiques multiples 35, par la seconde portion dopée 20 et par la seconde électrode de polarisation 6.
Cette seconde portion élargie 36 est formée par croissance épitaxiale à partir de la zone libre 13I1 de la bordure latérale 13 de la première portion dopée 10, et à ce titre, subie des contraintes mécaniques liées au désaccord de maille avec le premier composé semiconducteur, dans la mesure où elle présente une surface de nucléation importante avec la première portion dopée 10. Aussi, la qualité cristalline de la seconde portion élargie 36 est moindre que celle de la portion monocristalline élargie 31.
En variante (non représentée), le fil 2 peut ne pas comporter de couche diélectrique 8 recouvrant au moins en partie la bordure latérale 13 de la première portion dopée 10. La seconde portion élargie 36 peut alors recouvrir la bordure latérale 13 de la première portion dopée, sur sensiblement toute la hauteur H2. Le masque de croissance 7, avantageusement diélectrique, assure alors l'isolation électrique entre la seconde électrode de polarisation et le substrat conducteur.
La figure 5 illustre schématiquement une vue partielle en coupe d'un second mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 1 comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles 2 formant des diodes électroluminescentes filaires en configuration radiale et à puits quantique unique. Le dispositif optoélectronique 1 se distingue de celui représenté sur la figure 2 essentiellement en ce que la zone active 30 comporte un puits quantique unique formé par la portion monocristalline élargie 31.
La zone active 30 comporte ainsi un puits quantique unique réalisé dans le second composé semiconducteur, ici de l'InGaN, formé du premier composé semiconducteur, ici du GaN, dans lequel est incorporé au moins un élément supplémentaire, ici de l'indium. La proportion atomique des éléments du second composé semiconducteur InxGa(i-x)N est de préférence sensiblement homogène au sein du puits quantique, et le second composé semiconducteur est de préférence non intentionnellement dopé.
Le puits quantique unique d'InGaN forme un monocristal 31 qui s'étend à partir de la face supérieure 14 de la première portion dopée 10 et présente un diamètre moyen supérieur au diamètre moyen de la première portion dopée 10. Il comporte une base 32 en contact avec la face supérieure 14 de la première portion dopée 10, une bordure latérale 33 et une bordure supérieure 34. Les bordures latérale 33 et supérieure 34 présentent dans cet exemple des faces semi-polaires, c'est-à-dire des faces inclinées vis-à-vis de l'axe longitudinal Δ.
La portion monocristalline élargie 31 est recouverte au moins en partie par la seconde portion dopée 20, qui revêt ici la bordure latérale 33 et la bordure supérieure 34. La seconde portion dopée 20 est en contact avec la seconde électrode 6 de polarisation.
Dans cet exemple, la portion monocristalline élargie 31 est réalisée en InGaN avec une proportion atomique d'indium de l'ordre de 18% permettant d'obtenir une longueur d'onde d'émission centrée sur 420nm à 440nm, voire de 25% pour obtenir une longueur d'onde d'émission de l'ordre de soonm. Le diamètre moyen de la portion monocristalline élargie 31 est de l'ordre de 5μηι et son épaisseur moyenne est de l'ordre de 5μηι. La portion monocristalline élargie 31 présente ainsi, par son épitaxie à partir d'une surface réduite de nucléation, à savoir la face supérieure 14 de la première portion dopée 10, une bonne qualité cristalline dont la densité de défauts structuraux diminue avec son volume.
Les figures 6 et 7 illustrent schématiquement des vues partielles en coupe de deux variantes de la polarisation d'un dispositif optoélectronique 1 comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles 2 similaires à celle représentée sur la figure 4.
Dans cet exemple, les fils 2 comportent une zone active 30 à portion monocristalline élargie 31 revêtue au moins en partie par des puits quantiques multiples 35, eux-mêmes étant revêtus par la seconde portion dopée 20.
La portion monocristalline élargie 31 est formée d'un monocristal du second composé semiconducteur, ici de l'InGaN, présentant des faces semi-polaires formées par les bordures latérale 33 et supérieure 34. Comme mentionné précédemment, les puits quantiques ne présentent pas les mêmes propriétés optiques du fait de différences d'épaisseur et/ou de proportion atomique d'indium, selon qu'ils sont disposés sur la face semi-polaire de la bordure supérieure 34 ou sur la face semi-polaire de la bordure latérale 33.
Dans la variante illustrée sur la figure 6, les fils 2 se distinguent de celui représenté sur la figure 4 essentiellement en ce que la seconde électrode de polarisation 6 se présente, non plus sous la forme d'une couche recouvrant continûment la seconde portion dopée 20, mais sous forme d'une couche agencée de manière à polariser essentiellement les puits quantiques situés au niveau de la bordure supérieure inclinée 34.
Plus précisément, le dispositif optoélectronique comporte une couche épaisse 9 en un matériau diélectrique, disposée entre les fils 2 sur une hauteur telle qu'elle recouvre la première portion dopée 10 ainsi que la partie de la seconde portion dopée 20 située au niveau de la bordure latérale inclinée 33. Le matériau diélectrique est au moins en partie transparent vis-à-vis du spectre d'émission des fils et présente un indice de réfraction choisi de manière à permettre l'extraction du rayonnement lumineux hors des fils. Le matériau diélectrique peut être, entre autres, un oxyde de silicium ou un nitrure d'aluminium ou de silicium. Sur la couche épaisse diélectrique 9 est déposée la seconde électrode de polarisation 6, sous forme d'une couche en un matériau conducteur et transparent vis-à-vis du spectre d'émission des fils, cette couche conductrice recouvrant la partie de la seconde portion dopée 20 située au niveau de la bordure supérieure inclinée 34.
Ainsi, la seconde portion dopée 20 comporte une partie située au niveau de la bordure supérieure inclinée 34 qui est en contact avec la seconde électrode de polarisation 6, ainsi qu'une partie située au niveau de la bordure latérale inclinée 33 qui est en contact avec la couche épaisse diélectrique 9.
Dans le cas d'une seconde portion dopée 20 réalisée en GaN dopé de type p ou en InGaN dopée de type p, la résistance électrique de cette portion 20 est telle que les lignes de champ électrique sont orientées de manière sensiblement rectiligne dans l'épaisseur de la seconde portion dopée 20 à partir de l'électrode 6, et ne s'étendent sensiblement pas suivant les directions transversales, dans l'épaisseur de la portion 20. Aussi, seule la partie de la seconde portion dopée 20 en contact avec l'électrode 6 est apte à être polarisée, la partie de la seconde portion dopée située au niveau de la bordure latérale inclinée 33 et qui n'est pas en contact avec l'électrode 6 n'étant sensiblement pas polarisée par l'électrode 6.
Dans la variante illustrée sur la figure 7, le dispositif optoélectronique 1 comporte deux secondes électrodes de polarisation, dites supérieure 6h et inférieure 6b, agencées de manière à polariser, pour l'électrode supérieure 6h, essentiellement la partie de la seconde portion dopée 20 située au niveau de la bordure supérieure inclinée 34, et pour l'électrode inférieure 6b, essentiellement la partie de la seconde portion dopée 20 située au niveau de la bordure latérale inclinée 33. L'électrode 6b repose sur une couche diélectrique 9b et l'électrode 6h repose sur une couche diélectrique 9I1.
Les secondes électrodes supérieure 6h et inférieure 6b sont adaptées à appliquer un potentiel électrique distinct ou identique aux deux parties de la seconde portion dopée 20, selon les propriétés recherchées du spectre d'émission.
Ici également, dans le cas d'une seconde portion dopée 20 réalisée en GaN dopé de type p ou en InGaN dopé de type p, les deux parties de la seconde portion dopée 20 sont polarisées par l'une et/ou l'autre des électrodes supérieure 6h et inférieure 6b, sensiblement sans interférences ou diaphotie (crosstalk, en anglais), du fait de la résistance électrique de la portion 20.
Bien entendu, ces exemples sont donnés à titre purement illustratif. D'autres agencements de la seconde électrode de polarisation sont possibles, par exemple pour ne polariser que la zone de la seconde portion dopée située au niveau de la bordure latérale inclinée. Par ailleurs, la ou les secondes électrodes de polarisation peuvent être agencées sous forme, non pas de couche sensiblement plane, mais de couches structurées comme l'illustre le document US8937297.
Des modes de réalisation particuliers viennent d'être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l'homme du métier. On a décrit des structures semiconductrices tridimensionnelles adaptées à émettre un rayonnement lumineux à partir d'un signal électrique, formant ainsi des diodes électroluminescentes. Alternativement, les structures peuvent être adaptées à détecter un rayonnement lumineux incident et à produire en réponse un signal électrique, formant ainsi une photodiode. Les applications peuvent concerner le domaine de l'optoélectronique ou du photovoltaïque.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif optoélectronique (ι), comportant au moins une structure semiconductrice tridimensionnelle (2) s'étendant suivant un axe longitudinal (Δ) sensiblement orthogonal à un plan d'un substrat (3) sur lequel elle repose, et comportant :
- une première portion dopée (10), s'étendant à partir du substrat (3) suivant l'axe longitudinal (Δ), et réalisée en un premier composé semiconducteur ;
- une zone active (30) comportant au moins un puits quantique, et s'étendant à partir de la première portion dopée (10), la zone active comportant une portion élargie, s'étendant à partir d'une face supérieure (14) d'une extrémité (11) de la première portion dopée (10) opposée au substrat (3), et présentant un diamètre moyen supérieur à celui de la première portion dopée (10),
- une seconde portion dopée (20), recouvrant au moins en partie la zone active (30) ; caractérisé en ce que :
- la portion élargie (31) est monocristalline, et est formée d'un monocristal d'un second composé semiconducteur formé d'un mélange du premier composé semiconducteur et d'au moins un élément supplémentaire ; et
la zone active est réalisée à base dudit second composé semiconducteur.
2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel la zone active (30) comporte des puits quantiques multiples (35) qui recouvrent au moins une partie de la portion monocristalline élargie (31), formés d'une alternance de couches barrières présentant une première valeur (lnx non nulle de proportion atomique en ledit élément supplémentaire et de couches formant des puits quantiques présentant une deuxième valeur (Inx2) de proportion atomique en ledit élément supplémentaire supérieure à la première valeur (Inxi).
3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, dans lequel la première valeur de proportion atomique en ledit élément supplémentaire des couches barrières est comprise entre 15% et 23% et la deuxième valeur de proportion atomique en ledit élément supplémentaire des puits quantiques est comprise entre 22% et 30%.
4. Dispositif optoélectronique selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le monocristal présente une proportion atomique en ledit élément supplémentaire égale à celle de la couche barrière en contact avec celui-ci.
5. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel la portion monocristalline élargie (31) forme un unique puits quantique, le second composé semiconducteur étant de préférence non intentionnellement dopé.
6. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la portion monocristalline élargie (31) présente une épaisseur moyenne suivant l'axe longitudinal (Δ) supérieure à 10 nm.
7. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la portion monocristalline élargie (31) présente un diamètre moyen supérieur à 110% du diamètre moyen de la première portion dopée (10).
8. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le premier composé semiconducteur est choisi parmi les composés III-V, les composés II-VI et les éléments ou composés IV, et de préférence est un composé III-N.
9. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le premier composé semiconducteur étant du GaN et le second composé semiconducteur étant de l'InGaN.
10. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la seconde portion dopée (20) est au moins en partie entourée par une électrode de polarisation (6).
11. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 dépendantes de la revendication 2, dans lequel la portion monocristalline élargie (31) présente au moins deux faces semi-polaires (33, 34) d'inclinaisons différentes par rapport à l'axe longitudinal (Δ), lesdites faces semi-polaires étant recouvertes par au moins un puits quantique (35) revêtu par la seconde portion dopée (20).
12. Dispositif optoélectronique selon la revendication 11, comportant au moins deux électrodes de polarisation (6h, 6b) adaptées à polariser chacune une partie de la seconde portion dopée (20) située au niveau de l'une ou l'autre desdites faces semi-polaires (33, 34).
13. Procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure semiconductrice tridimensionnelle (2) est formée par dépôt chimique en phase vapeur, le premier composé semiconducteur étant un composé III-V.
14. Procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 13, dans lequel, lors de la formation de la première portion dopée (10), un rapport V/III entre un flux du gaz précurseur de l'élément V sur un flux du gaz précurseur de l'élément III présente une valeur inférieure ou égale à 100, et dans lequel lors de la formation de la portion monocristalline élargie (31), ledit rapport V/III présente une valeur supérieure ou égale à 500.
15. Procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 13 ou 14, dans lequel, lors de la formation de la première portion dopée (10), un rapport H2/N2 entre une proportion de flux molaire d'hydrogène sur une proportion de flux molaire d'azote présente une valeur supérieure ou égale à 60/40, de préférence supérieure ou égale à 70/30, et dans lequel lors de la formation de la portion monocristalline élargie (31), ledit rapport H2/N2 présente une valeur inférieure ou égale à 40/60, de préférence inférieure ou égale à 30/70.
PCT/FR2016/053121 2015-11-30 2016-11-28 Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie WO2017093645A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16813091.2A EP3384534A1 (fr) 2015-11-30 2016-11-28 Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie
US15/779,727 US11049997B2 (en) 2015-11-30 2016-11-28 Optoelectronic device comprising three-dimensional semiconductor structures with a wider single-crystal portion

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1561587A FR3044469B1 (fr) 2015-11-30 2015-11-30 Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie
FR1561587 2015-11-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017093645A1 true WO2017093645A1 (fr) 2017-06-08

Family

ID=55759702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2016/053121 WO2017093645A1 (fr) 2015-11-30 2016-11-28 Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11049997B2 (fr)
EP (1) EP3384534A1 (fr)
FR (1) FR3044469B1 (fr)
WO (1) WO2017093645A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289883A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 华中科技大学 一种三维半导体雪崩光电探测芯片及其制备方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11101418B1 (en) 2019-09-10 2021-08-24 Facebook Technologies, Llc Spacer for self-aligned mesa
US11164995B2 (en) * 2020-02-20 2021-11-02 Facebook Technologies, Llc 3-D structure for increasing contact surface area for LEDs

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120217474A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Agency For Science, Technology And Research Photonic device and method of making the same
US20140077220A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-20 Glo Ab Nanopyramid Sized Opto-Electronic Structure and Method for Manufacturing of Same
FR3000611A1 (fr) * 2012-12-28 2014-07-04 Aledia Dispositif optoelectronique a microfils ou nanofils
US8785905B1 (en) * 2012-01-19 2014-07-22 Sandia Corporation Amber light-emitting diode comprising a group III-nitride nanowire active region
US8937297B2 (en) 2011-12-02 2015-01-20 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Optoelectronic device including nanowires with a core/shell structure
WO2017009583A1 (fr) * 2015-07-16 2017-01-19 Aledia Dispositif optoelectronique a elements semiconducteurs tridimensionnels et son procede de fabrication

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG170094A1 (en) * 2006-03-10 2011-04-29 Stc Unm Pulsed growth of gan nanowires and applications in group iii nitride semiconductor substrate materials and devices
FR2973936B1 (fr) 2011-04-05 2014-01-31 Commissariat Energie Atomique Procede de croissance selective sur une structure semiconductrice

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120217474A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Agency For Science, Technology And Research Photonic device and method of making the same
US8937297B2 (en) 2011-12-02 2015-01-20 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Optoelectronic device including nanowires with a core/shell structure
US8785905B1 (en) * 2012-01-19 2014-07-22 Sandia Corporation Amber light-emitting diode comprising a group III-nitride nanowire active region
US20140077220A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-20 Glo Ab Nanopyramid Sized Opto-Electronic Structure and Method for Manufacturing of Same
FR3000611A1 (fr) * 2012-12-28 2014-07-04 Aledia Dispositif optoelectronique a microfils ou nanofils
WO2017009583A1 (fr) * 2015-07-16 2017-01-19 Aledia Dispositif optoelectronique a elements semiconducteurs tridimensionnels et son procede de fabrication

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ARAFIN SHAMSUL ET AL: "Review of recent progress of III-nitride nanowire lasers", JOURNAL OF NANOPHOTONICS, vol. 7, no. 1, 20 September 2013 (2013-09-20), pages 74599-1 - 74599-27, XP060026512, DOI: 10.1117/1.JNP.7.074599 *
NG TIEN KHEE ET AL: "The formation of hexagonal-shaped InGaN-nanodisk on GaN-nanowire observed in plasma source molecular beam epitaxy", PROCEEDINGS OF SPIE, GALLIUM NITRIDE MATERIALS AND DEVICES IX, vol. 8986, 8 March 2014 (2014-03-08), pages 898613-1 - 898613-6, XP060035035, ISBN: 978-1-62841-730-2, DOI: 10.1117/12.2039627 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289883A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 华中科技大学 一种三维半导体雪崩光电探测芯片及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
FR3044469B1 (fr) 2018-03-09
EP3384534A1 (fr) 2018-10-10
US11049997B2 (en) 2021-06-29
FR3044469A1 (fr) 2017-06-02
US20200313042A1 (en) 2020-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3646383B1 (fr) Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles en configuration axiale
EP3248227B1 (fr) Dispositif optoelectronique et son procede de fabrication
EP3384537B1 (fr) Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles en configuration axiale
EP3479409B1 (fr) Dispositif optoelectronique a diodes tridimensionnelles
FR2964796A1 (fr) Dispositif optoelectronique a base de nanofils pour l'emission de lumiere
EP3373345A1 (fr) Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes à extraction de lumière améliorée
EP3991215A1 (fr) Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes de type axial et son procédé de fabrication
EP2939276B1 (fr) Dispositif opto-électronique à microfils ou nanofils
EP3201951B1 (fr) Dispositif optoelectronique a elements semiconducteurs tridimensionnels
FR3039004A1 (fr) Dispositif optoelectronique a elements semiconducteurs tridimensionnels et son procede de fabrication
EP3475471A1 (fr) Structure de nucleation adaptee a la croissance epitaxiale d'elements semiconducteurs tridimensionnels
EP3347917A1 (fr) Dispositif electroluminescent a capteur de lumiere integre
EP3384534A1 (fr) Dispositif optoelectronique comportant des structures semiconductrices tridimensionnelles a portion monocristalline elargie
EP2939277B1 (fr) Dispositif optoelectronique a microfils ou nanofils
WO2016083704A1 (fr) Dispositif optoélectronique á éléments semiconducteurs tridimensionnels et son procédé de fabrication
EP4222785A1 (fr) Dispositif optoelectronique a diodes electroluminescentes a affichage couleur
EP3732735A1 (fr) Dispositif optoelectronique comprenant des diodes electroluminescentes tridimensionnelles
EP3144983B1 (fr) Dispositif électroluminescent à puits quantiques multiples
FR3000611A1 (fr) Dispositif optoelectronique a microfils ou nanofils
FR3098019A1 (fr) Dispositif optoélectronique comprenant des éléments semi-conducteurs tridimensionnels et procédé pour sa fabrication

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16813091

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016813091

Country of ref document: EP