WO2020104495A1 - Diode électroluminescente et procédé de fabrication d'une diode électroluminescente - Google Patents

Diode électroluminescente et procédé de fabrication d'une diode électroluminescente

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WO2020104495A1
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region
light
layer
emitting diode
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PCT/EP2019/081872
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Ivan-Christophe Robin
Xavier Hugon
Philippe Gilet
Tiphaine Dupont
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Aledia
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Definitions

  • the invention relates to the field of optoelectronics. It finds at least one particularly advantageous application in the field of LED light-emitting diodes (English acronym for "Light Emitting Diode”). It will find for advantageous but non-limiting application the production of LED-based display screens.
  • a display screen generally comprises a plurality of pixels emitting independently of each other.
  • pixels include their own light source, they can be qualified as self-emitting or photo-emissive pixels.
  • a display screen comprising such self-emitting pixels does not require a backlighting system, unlike LCD type screens (English acronym for "Liquid Crystal Display”).
  • Self-emitting pixels can be formed on the basis of LEDs, for example organic LEDs or OLEDs (English acronym for “Organic Light Emitting Diode”), or solid LEDs based on inorganic materials.
  • LEDs for example organic LEDs or OLEDs (English acronym for “Organic Light Emitting Diode”), or solid LEDs based on inorganic materials.
  • An LED typically comprises a region having a P-type electrical conductivity and a region having an N-type electrical conductivity, forming a PN junction between them.
  • an electron of the N-type region can recombine with a hole in the P-type region. This recombination of carriers (electrons, holes) is said to be radiative if it is accompanied by the emission of 'a photon.
  • the solid LEDs may further include a region of quantum wells. These quantum wells are configured to spatially confine the recombination of carriers and optimize the emission of photons.
  • Solid LEDs have the particular advantage of being brighter than OLEDs. They also have a longer lifespan than OLEDs.
  • a challenge related to the production of display screens comprising self-emitting pixels based on solid LEDs is to reduce the size of each pixel and the spacing between pixels, in order to reduce costs and increase the resolution of 'screen.
  • Such solid LEDs are sometimes called micro-LEDs or pLEDs.
  • Such a mesa structure is generally necessary to make electrical contacts on the N-type and P-type regions respectively.
  • Figure 1 shows for example the maximum external quantum efficiency (maximum EQE, acronym for “External Quantum Efficiency”) of pLED according to the prior art according to their size. This yield decreases drastically for pLED sizes less than 50 ⁇ m.
  • Maximum EQE acronym for “External Quantum Efficiency”
  • Another solution disclosed in the document “Mesa-Free III-V Nitride Light-Emitting Diodes with Fiat Surface, David S. Meyaard et al., ECS Solid State Letters, 3 (4) Q17- Q19 (2014)” consists in keeping a flat surface for making the contacts on the pLEDs, in order to reduce the manufacturing cost of these pLEDs.
  • a drawback of this solution is the appearance of reciprocal optical couplings between adjacent LEDs when the spacing between LEDs is reduced.
  • An object of the present invention is to at least partially overcome some of the drawbacks mentioned above.
  • an object of the present invention is to provide a light-emitting diode having improved efficiency.
  • an object of the present invention is to provide an optoelectronic system comprising a plurality of light-emitting diodes having improved efficiency and / or avoiding the appearance of reciprocal optical couplings.
  • an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a light-emitting diode having improved efficiency.
  • the third region extends in the longitudinal direction at the edge and in contact with the first and second regions through the first and second layers.
  • This arrangement makes it possible to form a PN junction laterally.
  • This lateral PN junction generates a space charge zone (ZCE) developing laterally on either side of the junction.
  • ZCE space charge zone repels part of the carriers towards a central region of the LED.
  • This arrangement therefore advantageously makes it possible to favor the recombinations of carriers in the central region of the LED, and to reduce or avoid the recombinations of carriers at the edge of the LED.
  • the recombinations of carriers in the central region of the LED are essentially radiative while the recombinations of carriers at the edge of the LED may be non-radiative.
  • non-radiative Shockley-Read-Hall (SRH) recombinations can occur in the presence of structural defects. Such faults are generally more numerous at the edge of the LED than in the central region of the LED.
  • the lateral PN junction according to the invention therefore advantageously makes it possible to passivate the border of the LED.
  • the rate of radiative recombination is thus optimized.
  • the LED has improved efficiency.
  • the width of the ZCE decreases and this third region can make it possible to inject carriers laterally.
  • carrier injection There is no carrier injection from these underlying layers.
  • the carrier injection is done directly from the third region crossing the first layer.
  • the injection of carriers is optimized.
  • Carrier injection can be particularly effective for LED sizes less than twice the average free path of carriers.
  • EBL Electrode Blocking Layer
  • Figures 2A-2C and 3A-3C show simulation results for an LED according to the invention, respectively with and without EBL ( Figures 2A and 3A).
  • the injection of the carriers is spatially regulated by the lateral development of the ZCE around the PN junction between the first and third regions of the LED.
  • the LED has a mesa structure comprising the first and second regions and oriented in the longitudinal direction.
  • the third region therefore forms an edge of this mesa structure.
  • the mesa structure of the LED makes it possible to avoid or limit the appearance of reciprocal optical couplings when several LEDs are arranged one next to the other.
  • a refractive index contrast appears between the interior of the mesa and the exterior of the mesa and this contrast makes it possible to confine the photons in the mesa, thus avoiding the coupling of optical modes between adjacent LEDs.
  • Passivation of the edge of the mesa by forming the third region longitudinally also makes it possible to avoid non-radiative recombinations on the edges of the mesa. This increases the rate of radiative recombination relative to the rate of non-radiative recombination.
  • the LED with a mesa structure according to the invention therefore has improved efficiency.
  • a second aspect of the invention relates to an optoelectronic system comprising a plurality of LEDs according to the first aspect of the invention, the LEDs of said plurality being juxtaposed with each other in the basal plane at their respective third regions.
  • the LEDs are preferably carried by the same basal plane and positioned one next to the other.
  • This system advantageously makes it possible to form an LED matrix having improved efficiency.
  • this system advantageously makes it possible to form an LED matrix with a mesa structure, electrically and optically isolated from each other.
  • the mesa-structure LEDs in this system therefore have improved efficiency.
  • the size of the LEDs can be reduced.
  • these mesa-structure LEDs avoid the appearance of reciprocal optical couplings. These LEDs can therefore advantageously have a reduced spacing between them.
  • the LED system according to the invention can advantageously equip a display screen.
  • a separable aspect of the invention relates to a method of manufacturing at least one light-emitting diode (LED) configured to emit a light flux of length
  • LED light-emitting diode
  • This manufacturing process includes at least the following steps:
  • an N-doped GaN layer deposited on the first buffer layer o an unintentionally doped quantum well layer comprising at least one quantum well based on InGaN extending parallel to the basal plane,
  • a layer of P-doped GaN deposited on the quantum well layer define by lithography on an exposed face of the P-doped GaN layer at least one pattern comprising a central region and a border surrounding this central region,
  • the ion implantation of silicon in the P-doped GaN layer advantageously makes it possible to reverse the P-type doping so as to form the third N-type region in said layer.
  • this manufacturing process can also comprise the following steps:
  • the N-doped GaN layer During the formation of the N-doped GaN layer, forming an AIN-based barrier layer within said N-doped GaN layer, this barrier layer being intended to precisely stop etching of the stack formed.
  • Etch the GaN buffer layer and at least partially the N-doped GaN layer, preferably up to the first interface between the barrier layer and the N-doped GaN layer, so as to form a resonant cavity for flux light of wavelength A j X 1; said resonant cavity having a height e in the longitudinal direction such that:
  • M j is an integer
  • ⁇ j is the conversion wavelength
  • n eff j is an i-th effective refractive index
  • the method according to this aspect of the invention provides for removing the buffer layer and at least in part the N-doped GaN layer.
  • the buffer layer has structural defects detrimental to the efficiency of the LED.
  • the N-doped GaN layer is generally formed by epitaxial growth on the buffer layer and also has certain residual structural defects. It is therefore advantageous to be able to remove them. This also reduces the total thickness of the stack. Such a reduction in thickness is advantageously compatible with the production of single-mode LEDs or having a small number of optical modes.
  • the method according to the invention thus makes it possible to eliminate these defects which are sources of non-radiative recombinations.
  • the method according to the invention also makes it possible to dispense with a step of forming an electron blocking layer EBL (English acronym for “Electron Blocking Layer”).
  • EBL Electrode Blocking Layer
  • Each LED manufactured by the method according to the invention is preferably configured to inject the electrons laterally. Therefore, an EBL becomes useless. An EBL would also be detrimental to the efficiency of the LED manufactured by the method according to the invention, as explained above with reference to FIGS. 2A-2C and 3A-3C.
  • the process according to the invention is therefore simpler than a process for manufacturing LEDs with EBL, and makes it possible to manufacture more efficient LEDs. It also allows more precise adjustment of the height of the stack formed, and over a wider range of heights.
  • FIGURE 1 shows results of measurement of G efficiency of an LED according to its size according to the document "Society for Information Display, International Symposium, Book 1, Session 25 - 4: Investigation and Improvement of 10 // m Pixel - pitch GaN - based Micro - LED Arrays with Very High Brightness, F. Olivier et al. (2017) ”;
  • FIGURE 2A is a sectional modeling of an LED according to an embodiment of the present invention, to which an EBL has been added;
  • FIGURES 2B and 2C show results from the modeling of an LED according to an embodiment of the present invention, to which an EBL has been added, for LED widths of 5 pm and 1 pm respectively;
  • FIGURE 3A is a sectional modeling of an LED according to an embodiment of the present invention, without EBL;
  • FIGURES 3B and 3C show results from the modeling of an LED according to an embodiment of the present invention, without EBL, for LED widths of 5 pm and 1 pm respectively;
  • FIGURES 4A, 5A, 6A illustrate steps for producing an LED system according to a first embodiment of the present invention
  • FIGURES 4B, 5B, 6B illustrate steps for producing an LED system according to a second embodiment of the present invention
  • FIGURES 7A and 8A illustrate stages of deferral and thinning of a method of manufacturing LEDs according to an embodiment of the present invention
  • FIGURES 7B and 8B illustrate stages of postponement and thinning of a method of manufacturing LEDs according to another embodiment of the present invention
  • FIGURES 9A, 9B and 9C illustrate LED systems with converters according to different embodiments of the present invention
  • FIGURES 10 and 1 1 illustrate the manufacture of a display screen from an LED system according to an embodiment of the present invention.
  • the invention according to its first aspect notably includes the following optional characteristics which can be used in combination or alternatively:
  • the light emitting diode has a mesa structure.
  • the third region forms an edge of the mesa structure.
  • This arrangement makes it possible to confine the recombinations of carriers inside the mesa and makes it possible to reduce or even avoid the recombinations of carriers occurring at the periphery and which are mainly non-radiative.
  • non-radiative Shockley-Read-Hall type recombinations at the periphery are significantly limited.
  • the edge of the mesa structure has a free surface that is substantially normal to the basal plane.
  • the free surface can therefore be exposed to air, which increases the refractive index contrast between the inside of the mesa and the outside of the mesa.
  • the first region has a P-type electrical conductivity
  • the third region has a N-type electrical conductivity
  • the third region has a concentration of dopants greater than or equal to 1 ⁇ 10 18 cm 3 .
  • the mobility of the electrons being greater than that of the holes, the electrons are injected laterally from the edge towards the center of the diode.
  • the recombination of carriers at the level of at least one quantum well is thus optimized.
  • Such lateral injection of the carriers also makes it possible to overcome a layer of blocking of the EBL electrons (English acronym of “Electron Blocking Layer”).
  • the third region has a height substantially equal to the thickness of the first layer.
  • the third region has a height substantially equal to the sum of the thicknesses of the first and second layers.
  • the stack forms a resonant cavity in the longitudinal direction for a light flux of length
  • the resonant cavity has a height e x in the longitudinal direction such that:
  • X x is the emission wavelength and n eff l is a first effective index of refraction.
  • the resonant cavity improves the directivity of the diode in the longitudinal direction.
  • the extraction efficiency of the light flux of wavelength X can thus be improved.
  • M is an integer different from M t or equal to M t .
  • the radiative recombinations at the origin of the spontaneous emission of the light flux from the diode mainly take place at the level of the at least one quantum well.
  • This positioning of the at least one quantum well corresponds to a belly of an optical resonance mode of the cavity. Therefore, the resonance is optimized for a light flux of wavelength X.
  • the directivity of the diode in the longitudinal direction can be maximized.
  • the extraction efficiency of the light flux of wavelength X can be maximized.
  • Such a converter makes it possible in particular to form diodes emitting a luminous flux in red or in green, from a spontaneous emission of a luminous flux in blue.
  • Such a diode can form a sub-pixel of a unit pixel.
  • the LED according to the invention is configured to produce an outgoing light flux of wavelength X ⁇
  • the luminous flux of wavelength X can be considered as a basic luminous flux.
  • the integration of this converter in the diode is thus improved.
  • the integration of such a diode in an optoelectronic system can thus be simplified.
  • Such a cavity advantageously makes it possible to obtain a resonance for each of the two emission and conversion wavelengths, possibly for different optical resonance modes.
  • M j ' is an integer
  • l 7 ⁇ the conversion wavelength
  • n ef f is an j-th effective index of refraction.
  • the directivity of the diode in the longitudinal direction can be maximized.
  • the converter thus comprises its own resonant cavity, called resonant conversion cavity, resonant independently of the source of the light flux of wavelength l.
  • n eff j is the j th effective index of refraction.
  • Bragg mirrors improve the quality of the resonant conversion cavity.
  • the light emitting diode further includes a first metal contact formed on the first region and a second metal contact formed on the third region.
  • the first and second contacts are carried on the same face of the diode.
  • the system further comprises an electronic device for controlling the diodes contacted at a face of the plurality of diodes carrying a plurality of first contacts and second contacts formed respectively on the first and third regions of each of the diodes of said plurality of diodes. .
  • This system makes it possible to form a screen comprising red, green and blue pixels for example.
  • the invention according to its third aspect notably comprises the following optional characteristics which can be used in combination or alternatively:
  • the implantation of silicon at the edge is configured to form one or third N-type regions with a dopant concentration greater than or equal to 1 ⁇ 10 18 crrf 3 .
  • a pixel of an image corresponds to the unitary element of the image displayed by a display screen.
  • each color pixel generally comprises at least three components of emission and / or conversion of a light flux, also called sub-pixels.
  • these sub-pixels each emit a luminous flux substantially in a single color (for example, red, green and blue).
  • the color of a pixel perceived by an observer comes from the superposition of the different light fluxes emitted by the sub-pixels.
  • an LED or pLED emits the light flux associated with a sub-pixel.
  • the size of LED is understood to mean its main extension dimension in the basal plane. The size of a sub-pixel is therefore directly correlated to the size of LEDs.
  • the relative arrangement of a third layer interposed between a first layer and a second layer does not necessarily mean that the layers are directly in contact with each other , but means that the third layer is either directly in contact with the first and second layers, or is separated from these by at least one other layer or at least one other element.
  • stages of formation of the different regions have a broad meaning: they can be carried out in several sub-stages which are not necessarily strictly successive.
  • dopings are nonlimiting examples.
  • the invention covers all the embodiments in which the dopings are reversed.
  • P includes all doping by carriers of positive charges whatever the concentration of dopants.
  • P doping can be understood as P, P + or P ++ doping.
  • N encompasses all doping by carriers of negative charges whatever the concentration of dopants.
  • N doping can be understood to be N, N + or N ++ doping.
  • the dopant concentration ranges associated with these different dopings are as follows:
  • ⁇ P ++ or N ++ doping greater than 1 x 10 20 cm 3
  • ⁇ Mi refers to the intrinsic or unintentionally doped material M, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -i.
  • ⁇ Mn refers to material M doped with N, N + or N ++, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -n.
  • ⁇ Mp refers to the P, P + or P ++ doped material M, according to the terminology usually used in the field of microelectronics for the suffix -p.
  • Microx means a table in the form of rows and columns.
  • a matrix may include a plurality of rows and a plurality of columns, or a single row and a plurality of columns, or a plurality of rows and a single column.
  • an LED based on gallium nitride can for example comprise gallium nitride (GaN or GaN-i) or doped gallium nitride (GaN-p, GaN-n) or gallium-indium nitride (InGaN) or gallium-aluminum nitride (AIGaN).
  • the depth, the height and the thickness are taken in the longitudinal direction, and the width is taken in the basal plane.
  • lateral means “laterally”, as the case may be:
  • an effective index of refraction is defined for a material, possibly for a medium or model material, and for an optical resonance mode in this material.
  • the effective index of refraction is equal to the ratio of the speed c (speed of light in a vacuum) to the speed of propagation of light in the material and according to the optical resonance mode considered.
  • This effective index corresponds to the effective index of refraction of the material for an effective propagation of light in the longitudinal direction.
  • n e ff , i is a first effective index of refraction, relating to a first mode of optical resonance for propagation of a light flux of wavelength X in the material considered.
  • n e ff is an j-th effective index of refraction, relating to a j-th optical resonance mode for propagation of a light flux of wavelength X j in the material considered.
  • a direction substantially normal to a plane means a direction having an angle of 90 ⁇ 10 ° relative to the plane.
  • the relative positioning of the different metal regions and contacts of the LED can be obtained from a cross section.
  • an implantation of elements in a region and in particular an implantation at different energies over a whole height of the region produces characteristic artefacts for those skilled in the art (definition of the interface between the implanted region and the region adjacent, healing of implantation defects).
  • characteristic artefacts can also be simulated by Monte Carlo-type methods and / or finite element methods (FEM for the English acronym Finite Elements Method).
  • compositions of the different regions can be determined using the following well-known methods such as:
  • EDX or X-EDS acronym of "energy dispersive x-ray spectroscopy” which means “energy dispersive analysis of X photons”.
  • This method is well suited for analyzing the composition of small devices such as pLEDs. It can be implemented on metallurgical sections within a Scanning Electron Microscope (SEM) or on thin sections within a Transmission Electron Microscope (MET).
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • MET Transmission Electron Microscope
  • SIMS acronym for “Secondary Ion Mass Spectroscopy” which means “Secondary Ionization Mass Spectroscopy”.
  • the LED 100 or the plurality of LEDs 100a, 100b obtained by this first embodiment is based on GaN and has a structure without mesa with lateral injection.
  • the LED 100 can advantageously be manufactured from a planar stack of layers 10, 20, 30, 40 on a substrate 50. Each layer 10, 20, 30, 40 of the stack extends in a basal plane and the stack is formed in a longitudinal direction preferably normal to the basal plane ( Figure 4A).
  • a buffer layer 40 of GaN-n is preferably epitaxied on a substrate 50 sapphire AI203.
  • This buffer layer 40 can have a thickness of between a few hundred nanometers and a few microns, typically 1 ⁇ m.
  • This buffer layer 40 is configured to limit the propagation of structural defects generated by heteroepitaxy, for example dislocations of mesh mismatch, through the stack.
  • the substrate can alternatively be a silicon substrate or a silicon carbide substrate for example.
  • a layer 30 of GaN-n can then be epitaxially grown on the buffer layer 40.
  • This layer 30 of GaN-n can have a thickness of between a few hundred nanometers and a few microns, typically 500 nm.
  • This layer 30 of GaN-n has a lower dislocation rate than that of the buffer layer 40, preferably less than 10 10 cm 2 , and preferably less than or equal to 10 8 cm 2 .
  • An unintentionally doped quantum well layer 20 comprising at least one quantum well based on InGaN can then be epitaxied on the layer 30 of GaNn.
  • the quantum wells preferably extend parallel to the basal plane.
  • These quantum wells can typically have a thickness of a few nanometers, for example between 1 nm and 5 nm. They can be separated from each other by interleaved layers of GaN having thicknesses of a few nanometers, for example between 3 nm and 15 nm.
  • the quantum well layer 20 can comprise between one and fifty quantum wells. It can have a thickness of between 10 nm and 500 nm, preferably between 10 nm and 200 nm in order to reduce the total thickness of the stack.
  • a layer 10 of GaN-p can then be epitaxially grown on the quantum well layer 20.
  • This layer 10 of GaN-p can have a thickness of between 20 nm and 200 nm.
  • the majority carriers in layer 10 of GaN-p are holes.
  • This layer 10 can have a concentration of dopants of between 10 17 cm 3 and 10 19 cm 3 .
  • the mobility of the holes being lower than that of the electrons, the radiative recombinations of electron-hole pairs take place mainly at the level of the first quantum well (s) adjoining this layer 10 of GaN-p.
  • Different epitaxy techniques can be implemented so as to form this stack in the longitudinal direction.
  • CVD chemical vapor deposition
  • MOVPE organometallic precursors
  • HVPE chlorinated gaseous precursors
  • deposition of thin atomic layers ALD acronym for "Atomic Layer Deposition”
  • epitaxy by molecular jets MBE acronym for "Molecular Beam Epitaxy ”.
  • the stack is preferably formed within the same epitaxy frame.
  • One or more patterns can then be defined by lithography. Each pattern is intended for the formation of an LED 100. Each pattern projected in the basal plane can be square, rectangular or circular for example. The projected patterns preferably form a matrix from which a 100 M LED matrix can be formed.
  • They can have a width, that is to say a dimension of main extension in the basal plane, of between 300 nm and 500 ⁇ m, preferably between 300 nm and 50 ⁇ m.
  • a dimension of the order of 500 ⁇ m can be used for the production of digital signage panels or screens for example.
  • a dimension less than 50 ⁇ m or less than 30 ⁇ m makes it possible to produce screens based on pLED.
  • Each pattern preferably includes a central region surrounded by a border.
  • the central region is masked at the end of the lithography, on an initially exposed face of the layer 10 of GaN-p, so as to protect the underlying stack at this central region.
  • This central region intended to form an emissive zone, may have a width of between 300 nm and 10 ⁇ m.
  • the central region preferably comprises the first region 1 of the LED, formed in the layer 10 of GaN-p, and the second region 2 of the LED, formed in the quantum well layer 20.
  • the border preferably remains exposed at the end of the lithography, so as to be able to implant, from the exposed face, species or atoms, preferably of the donor type, over a whole height of the underlying stack.
  • This border can have a width of between 50 nm and 10 ⁇ m, preferably between 200 nm and 2 ⁇ m.
  • An ion implantation can be carried out in and / or through the GaN-p layer 10 and the quantum well layer 20 to delimit on the one hand the first and second regions 1, 2 of the LED 100, and to form on the other hand the third region 3 of the LED 100 (FIG. 5A).
  • This ion implantation is preferably configured to implant silicon over a total depth of between 10 nm and 10 ⁇ m, preferably between 30 nm and 500 nm, at concentrations of between 10 17 cm 3 and 10 19 cm 3 .
  • This implantation advantageously makes it possible to reverse the conductivity of the layer 10 at the level of the third region 3.
  • a PN junction is thus created between the second and third regions 2, 3 of the LED 100.
  • the GaN-p of layer 10 can become GaN-n in the third region 3 after implantation of the silicon.
  • Different implantation energies can make it possible to implant silicon at different depths under the exposed face in the longitudinal direction, so as to obtain a relatively uniform distribution over an entire implantation depth.
  • an implantation depth profile as a function of energy can be estimated from MonteCarlo type calculations. It is therefore possible to adjust the energy variation according to the desired installation depth.
  • This implantation depth corresponds substantially to the height of the third region 3.
  • an implantation of silicon carried out on a VllSta 3000XP implanter from Applied Material, with an energy varying progressively between 10 keV and 500 keV can form a third N-type region 3 over a height of the order of 350 nm.
  • the implantation doses can be between 10 13 cm 2 and 10 16 cm 2 .
  • the first, second and third regions 1, 2, 3 of the LED 100 are formed.
  • an activation and / or healing anneal can be performed.
  • Activation annealing makes it possible for example to give the donor character to the implanted silicon atoms.
  • the healing annealing makes it possible in particular to reduce the structural defects linked to the implantation.
  • These activation and / or healing anneals are typically carried out at temperatures between 800 ° C and 1000 ° C, and for durations between 15 min and 2h. In particular, these annealing temperatures and durations can be adjusted so as not to degrade the quantum wells of the quantum well layer 20. Such annealing is perfectly known to those skilled in the art.
  • first metal contacts 11a, 11b, called contacts P are deposited on the first regions 1a, 1b of type P and second metal contacts 12, called contacts N , are deposited on the third N type 3 regions, at the exposed face.
  • two adjacent diodes 100a, 100b thus share at least in part a third region 3 and a same contact N 12. This makes it possible to limit the number of connections necessary to supply the diodes 100a, 100b of the array of diodes 100 M .
  • the contacts N 12 preferably make it possible to inject electrons laterally from the third region 3 towards the first region 1a, 1b.
  • the contacts P 11a, 11b make it possible to inject holes in the first region 1a, 1b.
  • a hole of the first region 1, 1 a, 1 b can therefore form in the central zone an electron-hole pair with an electron coming from the third region 3.
  • This pair can then be annihilated by radiative recombination at the level of a quantum well of the second region 2, 2a, 2b, typically and mainly at the level of the quantum well on the immediate edge of the first region 1, 1 a, 1 b.
  • a light flux of wavelength l is then emitted.
  • the wavelength l can be between 400 nm and 650 nm, preferably between 400 nm and 470 nm.
  • the light flux is preferably extracted at the level of an emissive face opposite the face carrying the contacts 1 1a, 1 1 b, 12.
  • Such an LED 100 preferably emits in blue and may be referred to hereinafter as blue LED.
  • the lateral injection of carriers, in particular electrons, is particularly effective and makes it possible to avoid the use of an EBL electron blocking layer.
  • FIGS. 2A-2C and 3A-3C A comparison of results is presented in FIGS. 2A-2C and 3A-3C, respectively between an LED with lateral injection according to the invention further comprising an EBL, and an LED with lateral injection according to the invention without EBL.
  • the side injection LED according to the invention therefore advantageously makes it possible to form a pLED, in particular having a main extension dimension in the basal plane less than or equal to 12 ⁇ m.
  • LEDs 100, 100a, 100b according to the invention are described below. Only the distinct features of the previous embodiment are described below, the other features not described being deemed to be identical to those of the embodiment described above.
  • the LED 100 also has a mesa structure.
  • lithography and etching are preferably carried out after the formation of the stack of layers 10, 20, 30, 40, before the definition of the LED pattern.
  • Lithography makes it possible to define the areas to be engraved.
  • the etching can be configured to form trenches around each LED at least in part through the stack of layers 10, 20, 30 (FIG. 4B). These trenches preferably border each LED, at the periphery of the border of each LED pattern.
  • the trenches have a depth greater than or equal to the sum of the thicknesses of the first and second layers 10, 20.
  • Anisotropic etching for example a dry etching of the RIE (English acronym for "Reactive Ion Etching") or plasma type based on chlorinated species, makes it possible to produce such trenches substantially in the longitudinal direction.
  • RIE reactive Ion Etching
  • plasma type based on chlorinated species makes it possible to produce such trenches substantially in the longitudinal direction.
  • Two adjacent LEDs 100a, 100b are preferably separated by the same trench.
  • the trenches preferably have a width greater than or equal to 200 nm. This makes it possible to limit or avoid the reciprocal optical coupling between adjacent LEDs.
  • the mesa structure makes it possible in known manner to optically isolate at least partially the emissive zone of the LED and / or to guide the propagation of a light flux emitted by the emissive zone.
  • the luminous flux is indeed confined to the interior of the mesa by contrast of refractive indices between the interior of the mesa and the trench.
  • This implantation makes it possible both to form the third region 3 of each LED, and to passivate the free edges of the mesa.
  • the installation depth is preferably substantially equal to the engraving depth.
  • First contacts 1 1a, 1 1b can then be deposited on the first regions 1a, 1b of the LEDs 100a, 100b, and second contacts 12a, 12b can then be deposited on the third regions 3a, 3b at the level of the exposed side.
  • the LED 100a thus preferably comprises a second contact 12a separate from another second contact 12b of the adjacent LED 100b.
  • the LEDs 100a, 100b are electrically independent from each other and can be controlled independently.
  • LEDs 100a, 100b with mesa structure and lateral injection are thus produced.
  • the space charge zone, extending laterally from the PN junction between the first and third regions 1, 3, and the injection of electrons towards the central zone advantageously make it possible to confine the electron-hole pairs in the central zone.
  • the free edges of the mesa therefore do not disturb the mechanisms of radiative recombination, unlike an LED with a conventional mesa structure.
  • the LEDs 100a, 100b according to this embodiment therefore have both an optical confinement and an electronic confinement making it possible respectively to limit the reciprocal optical coupling between LEDs and to optimize the rate of radiative recombination of the LEDs.
  • the plurality of LEDs formed on the substrate 50 is then transferred to control electronics 60.
  • the first and second contacts 11, 12 of the LEDs are advantageously carried on the same face, the exposed face of the layer 10 of GaN-p, which facilitates a connection with the control electronics 60 (FIG. 7A).
  • the reversal and the transfer can be done for example by a method called “flip chip” (meaning “flip chip”).
  • a first thinning from the rear face of the substrate 50 can then be carried out so as to remove the substrate 50, preferably the buffer layer 40 and preferably at least in part the layer of GaN-n 30 (FIG. 8A).
  • This first thinning can be done by a first mechanical trimming, typically using a coarse abrasive so as to quickly remove at least 90% of the desired thickness, followed by chemical mechanical polishing allowing control precisely a removal of the residual thickness.
  • the first thinning brings the emissive face closer to the emissive area. This advantageously makes it possible to improve the extraction of the light flux emitted by the diode.
  • the first thinning also makes it possible to facilitate or improve the integration of the matrix of diodes 100 M within a display screen for example, by reducing the size of this matrix.
  • the thickness removed by thinning can be precisely controlled by means of a stop layer 31 previously integrated into the stack.
  • a stop layer 31 based on AIGaN or in AIN can be formed within the layer of GaN-n 30 during the epitaxy of this layer of GaN-n.
  • this stop layer 31 in the GaN-n layer 30, and the thickness of this stop layer 31 can advantageously be precisely controlled.
  • the etching of the trenches is preferably carried out so as to at least partially pass through the stop layer 31.
  • the etching of the trenches can be configured so as to pass through the stop layer 31 over its entire thickness, at least up to a first interface 311 and preferably up to a second interface 312 between this stop layer 31 and layer 30.
  • a second thinning by etching of the layer 30 can advantageously be carried out.
  • This etching of the layer 30 is preferably chosen so as to have good selectivity with respect to the stop layer 31.
  • photoelectrochemical etching may have an S MGaN / GaN selectivity greater than 100: 1.
  • photoelectrochemical etching can also have an S AM / GaN selectivity greater than 100: 1.
  • the stack then has a residual thickness e.
  • This residual thickness e corresponds to the height e of the LEDs 100 of the LED array 100 M.
  • the interface 311 can therefore correspond to the emissive face of the diodes.
  • the height e of the LEDs can advantageously be precisely controlled by the positioning of the stop layer 31 within the layer 30.
  • the height e x of the LEDs can be chosen so that:
  • Resonant cavity LEDs called RCLED (English acronym for “Resonant Cavity LED”) can therefore be formed (FIG. 8B).
  • RCLEDs emit a light flux of wavelength l mainly in the longitudinal direction.
  • the blue LEDs can include the RCLEDs.
  • a converter c 2 configured to produce a light flux of wavelength l 2 from the light flux of wavelength l can be associated with a blue LED.
  • a converter c 3 configured to produce a light flux of wavelength l 3 from the light flux of wavelength l can be associated with a blue LED.
  • color pixels of a display screen can thus be formed.
  • a green LED therefore corresponds to a green sub-pixel of a color pixel.
  • a red LED therefore corresponds to a red sub-pixel of a color pixel.
  • a blue LED, without converter, corresponds to a blue sub-pixel of a color pixel.
  • QD quantum dots can for example be nanoparticles or nanocrystals of variable size and composition.
  • the use of photosensitive resins loaded with QD can make it possible to form the networks of green and red sub-pixels on the 100 M blue LED matrix.
  • a first photosensitive resin loaded with QD of a first type for example core / shell nanoparticles based on CdSe / ZnS or InP / ZnS or CdSe / CsS / ZnS, and of size of the order of a few nanometers to a few tens of nanometers, for example between 2 nm and 100 nm
  • a first lithography can be performed to form the network of green sub-pixels.
  • a second photosensitive resin charged with QD of a second type for example core / shell nanoparticles based on CdSe / CdS or InP / CdS and of size on the order of a few nanometers to a few tens of nanometers, for example between 2 nm and 100 nm
  • QD of a second type for example core / shell nanoparticles based on CdSe / CdS or InP / CdS and of size on the order of a few nanometers to a few tens of nanometers, for example between 2 nm and 100 nm
  • the QDs of the second type can be of the same nature as the QDs of the first type, and differ simply by the ratio of size heart / shell.
  • QW quantum wells (English acronym for “Quantum Well”)
  • Such quantum well converters can be produced by deposition (s) and / or epitaxy (s).
  • a layer of converter c 2 , c 3 can be interposed between two transparent layers, for example made of Ti02 or Zr02, to form a stack 52, 53 in the longitudinal direction directly in contact with the emissive face of the blue LED .
  • the stack 52, 53 and the blue LED have a total height.
  • the different thicknesses of layers are preferably chosen such
  • the stack 52, 53 and the blue LED form a resonant optical cavity for each of the two emission and conversion wavelengths, possibly for different optical resonance modes.
  • M i is an integer.
  • the blue LED without converter can also include a transparent layer, for example made of Ti02 or Zr02, to form a cavity of resonant height e for the wavelength l.
  • this transparent layer is preferably chosen so that the first quantum well of the second region 2 adjoining the first region 1 is positioned at a height e 7 op relative to an upper end of the resonant cavity, such that:
  • This first quantum well at which most of the radiative recombination takes place, is therefore advantageously positioned on a belly of optical resonance mode.
  • the efficiency of extraction of the light flux of wavelength l at the upper end of the resonant cavity is thus maximized.
  • An air gap for example, can separate the converters from the blue LEDs.
  • the blue LEDs are preferably RCLEDs having a height e in order to obtain at the level of their emissive face a directional luminous flux mainly in the longitudinal direction.
  • Such a configuration comprising RCLEDs separate from the converters themselves resonant advantageously makes it possible to simplify the production of the red and green sub-pixels of a color pixel of a display screen.
  • the converters c 2 , c 3 can be formed by lithographies of photosensitive resins loaded in QD and deposited on a glass substrate 70, independently of the production of the blue LED array 100 M , as illustrated in FIG. 10.
  • a layer 71 of distributed Bragg mirrors DBR (English acronym for “Distributed Bragg Reflectors”) can be interposed between the glass substrate 70 and the converters c 2 , c 3 .
  • This layer 71 DBR is preferably configured to present a wide reflection band comprising the wavelengths l 2 and A 3 .
  • the converters c 2 , c 3 formed on the glass substrate 70 can therefore be transferred to the blue LEDs of the 100 M matrix, in order to form the different blue, red and green sub-pixels.
  • the substrate 70 carrying the converters c 2 , c 3 thus aligned with the blue LEDs can be secured to the matrix 100 M connected to the control electronics 60, for example by means of a bead of glue or studs. glue 80.
  • a display screen comprising colored pixels each comprising sub-pixels based on RCLED with lateral injection can thus be produced.
  • embodiments can be combined with each other so as to obtain an LED or an optoelectronic system.
  • an LED or an RCLED with a mesa structure, based on GaN, with lateral injection and comprising a remote converter can be formed.
  • An LED or RCLED with a mesa structure, based on GaN, with lateral injection and comprising an integrated converter can be formed.
  • a GaN-based LED or RCLED without mesa, with lateral injection and comprising an integrated converter can be formed.

Abstract

L'invention a pour objet une diode électroluminescente (100) comprenant une première région (1) par exemple de type P formée dans une première couche (10) et formant, selon une direction normale à un plan basal, un empilement avec une deuxième région (2) comprenant au moins un puit quantique formée dans une deuxième couche (20), et comprenant une troisième région (3) par exemple de type N s'étendant selon la direction normale au plan, en bordure et au contact des première et deuxième régions (1, 2), au travers des première et deuxième couches (10, 20). L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente (100) dans lequel la troisième région (3) est formée par implantation dans et au travers des première et deuxième couches (10, 20).

Description

Diode électroluminescente et procédé de fabrication d’une diode électroluminescente
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne le domaine de l’optoélectronique. Elle trouve au moins une application particulièrement avantageuse dans le domaine des diodes électroluminescentes LED (acronyme anglais de « Light Emitting Diode »). Elle trouvera pour application avantageuse mais non limitative la réalisation d’écrans d’affichage à base de LED.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Un écran d’affichage comprend généralement une pluralité de pixels émettant indépendamment les uns des autres.
Dans le cas où ces pixels comprennent leur propre source de lumière, ils peuvent être qualifiés de pixels auto-émissifs ou photo-émissifs. Un écran d’affichage comprenant de tels pixels auto-émissifs ne nécessite pas de système de rétroéclairage, contrairement aux écrans de type LCD (acronyme anglais de « Liquid Crystal Display »).
Les pixels auto-émissifs peuvent être formés à base de LED, par exemple des LED organiques ou OLED (acronyme anglais de « Organic Light Emitting Diode »), ou des LED solides à base de matériaux inorganiques.
Une LED comprend typiquement une région présentant une conductivité électrique de type P et une région présentant une conductivité électrique de type N, formant entre elles une jonction PN. En polarisant la LED, un électron de la région de type N peut se recombiner avec un trou de la région de type P. Cette recombinaison de porteurs (électrons, trous) est dite radiative dans le cas où elle est accompagnée de l’émission d’un photon.
Les LED solides peuvent en outre comprendre une région de puits quantiques. Ces puits quantiques sont configurés pour confiner spatialement la recombinaison de porteurs et optimiser l’émission de photons.
Les LED solides ont notamment l’avantage de présenter une luminosité plus forte que les OLED. Elles présentent en outre une durée de vie supérieure à celle des OLED.
Un enjeu lié à la fabrication d’écran d’affichage comprenant des pixels auto-émissifs à base de LED solides est de réduire la taille de chaque pixel et l’espacement entre pixels, afin de diminuer les coûts et d’augmenter la résolution d’écran.
De telles LED solides sont parfois dénommées micro-LED ou pLED.
Le document US 2015/0380459 A1 divulgue un système et un procédé de fabrication de pLED présentant une structure en mésa.
Une telle structure en mésa est généralement nécessaire pour réaliser des contacts électriques sur les régions de type N et de type P respectivement.
Un inconvénient de ces pLED est que leur taux de recombinaisons radiatives, et conséquemment leur rendement quantique externe, s’effondre lorsque leur taille diminue.
La figure 1 montre par exemple le rendement quantique externe maximum (maximum EQE, acronyme anglais de « External Quantum Efficiency ») de pLED selon l’art antérieur en fonction de leur taille. Ce rendement diminue drastiquement pour des tailles de pLED inférieures à 50 pm. Une autre solution divulguée par le document « Mesa-Free lll-V Nitride Light-Emitting Diodes with Fiat Surface, David S. Meyaard et al., ECS Solid State Letters, 3 (4) Q17- Q19 (2014) » consiste à conserver une surface plane pour la réalisation des contacts sur les pLED, afin de réduire le coût de fabrication de ces pLED.
Un inconvénient de cette solution est l’apparition de couplages optiques réciproques entre LED adjacentes lorsque l’espacement entre LED est réduit.
Un autre inconvénient de cette solution est que les électrons issus de la région de type N ne sont pas parfaitement confinés au niveau des puits quantiques. La recombinaison de porteurs au niveau des puits quantiques n’est donc pas optimale.
Un objet de la présente invention est de pallier au moins en partie certains des inconvénients mentionnés ci-dessus.
Selon un aspect particulier, un objet de la présente invention est de proposer une diode électroluminescente présentant une efficacité améliorée.
Selon un autre aspect, un objet de la présente invention est de proposer un système optoélectronique comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes présentant une efficacité améliorée et/ou évitant l’apparition de couplages optiques réciproques.
Selon un aspect séparable, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d’une diode électroluminescente présentant une efficacité améliorée.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ
Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l’invention concerne une diode électroluminescente configurée pour émettre un flux lumineux de longueur d’onde li (i = 1 ...3), comprenant une première région présentant l’une parmi une conductivité électrique de type P et une conductivité électrique de type N, formée dans une première couche s’étendant dans un plan basal, une deuxième région formée dans une deuxième couche, ladite deuxième région formant un empilement avec la première région selon une direction normale au plan basal, dite direction longitudinale, et comprenant au moins un puit quantique s’étendant parallèlement audit plan basal, et une troisième région présentant l’autre parmi une conductivité électrique de type P et une conductivité électrique de type N. Avantageusement mais non limitativement, la troisième région s’étend selon la direction longitudinale en bordure et au contact des première et deuxième régions au travers des première et deuxième couches.
Cette disposition permet de former une jonction PN latéralement.
Cette jonction PN latérale génère une zone de charge d’espace (ZCE) se développant latéralement de part et d’autre de la jonction. La ZCE repousse une partie des porteurs vers une région centrale de la LED.
Cette disposition permet donc avantageusement de favoriser les recombinaisons de porteurs dans la région centrale de la LED, et de diminuer ou d’éviter les recombinaisons de porteurs en bordure de la LED.
Les recombinaisons de porteurs dans la région centrale de la LED sont essentiellement radiatives tandis que les recombinaisons de porteurs en bordure de la LED peuvent être non radiatives. En particulier, des recombinaisons non radiatives de type Shockley-Read-Hall (SRH) peuvent se produire en présence de défauts structuraux. De tels défauts sont généralement plus nombreux en bordure de LED que dans la région centrale de la LED.
La jonction PN latérale selon l’invention permet donc avantageusement de passiver la bordure de la LED.
Le taux de recombinaisons radiatives est ainsi optimisé. La LED présente une efficacité améliorée.
Pour de fortes concentrations de dopants, par exemple pour une concentration de dopants supérieure ou égale à 1 x 1018 cm 3, la largeur de la ZCE diminue et cette troisième région peut permettre d’injecter latéralement des porteurs.
Dans ce cas, il n’y a pas de zone d’isolation latérale en bordure des première et deuxième régions. Les couches sous-jacentes à la deuxième région ne participent pas au fonctionnement électrique de la LED. La compacité de la LED est ainsi améliorée.
Il n’y a pas d’injection de porteurs depuis ces couches sous-jacentes. L’injection de porteurs se fait directement depuis la troisième région traversant la première couche. L’injection de porteurs est optimisée. L’injection de porteurs peut être particulièrement efficace pour des tailles de LED inférieures à deux fois le libre parcours moyen des porteurs.
Pour améliorer l’efficacité de la LED à partir d’une solution telle que celle enseignée par le document « Mesa-Free lll-V Nitride Light-Emitting Diodes with Fiat Surface, David S. Meyaard et al., ECS Solid State Letters, 3 (4) Q17-Q19 (2014) » mentionné ci-dessus, l’homme du métier, serait, au mieux, incité à ajouter une couche de blocage d’électrons EBL (acronyme anglais de « Electron Blocking Layer »). Une telle couche est en effet généralement utilisée pour réguler spatialement l’injection de porteurs selon la direction longitudinale de sorte à ce que les recombinaisons de ces porteurs se fassent majoritairement au niveau des puits quantiques.
Les figures 2A-2C et 3A-3C montrent des résultats de simulation pour une LED selon l’invention, respectivement avec et sans EBL (figures 2A et 3A).
Il apparaît que la présence d’une EBL nuit à l’efficacité globale WPE (acronyme anglais de « Wall Plug Efficiency ») de la LED selon l’invention (figures 2B et 3B), et ce d’autant plus pour les plus petites tailles de LED (figures 2C et 3C). Une description détaillée de ces figures 2A-2C et 3A-3C est proposée par la suite.
La solution enseignée par le document mentionné ci-dessus conduirait au mieux l’homme du métier à réaliser une LED avec EBL dont l’efficacité est très significativement dégradée. Cet enseignement éloigne de l'invention.
Au contraire, selon l’invention, l’injection des porteurs est régulée spatialement par le développement latéral de la ZCE autour de la jonction PN entre les première et troisième régions de la LED.
Selon un mode de réalisation préféré, la LED présente une structure en mésa comprenant les première et deuxième régions et orientée selon la direction longitudinale. La troisième région forme dès lors un bord de cette structure en mésa.
La structure en mésa de la LED permet d’éviter ou de limiter l’apparition de couplages optiques réciproques lorsque plusieurs LED sont agencées les unes à côté des autres. En particulier, un contraste d’indice de réfraction apparaît entre l’intérieur du mésa et l’extérieur du mésa et ce contraste permet de confiner les photons dans le mésa, évitant ainsi le couplage de modes optiques entre LED adjacentes.
La passivation du bord du mésa par formation de la troisième région longitudinalement permet en outre d’éviter les recombinaisons non radiatives sur les bords de mésa. Cela permet d’augmenter le taux de recombinaisons radiatives relativement au taux de recombinaisons non radiatives. La LED à structure en mésa selon l’invention présente donc une efficacité améliorée.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un système optoélectronique comprenant une pluralité de LED selon le premier aspect de l’invention, les LED de ladite pluralité étant juxtaposées entre elles dans le plan basal au niveau de leurs troisièmes régions respectives. Les LED sont de préférence portées par un même plan basal et positionnées les unes à côté des autres.
Ce système permet avantageusement de former une matrice de LED présentant une efficacité améliorée.
Selon un mode de réalisation préféré, ce système permet avantageusement de former une matrice de LED à structure en mésa, isolées électriquement et optiquement les unes des autres.
Les LED à structure en mésa de ce système présentent dès lors une efficacité améliorée. La taille des LED peut être réduite. Par ailleurs, ces LEDs à structure en mésa évitent l’apparition de couplages optiques réciproques. Ces LED peuvent donc avantageusement présenter entre elles un espacement réduit.
Le système de LED selon l’invention pourra avantageusement équiper un écran d’affichage.
Un aspect séparable de l’invention concerne un procédé de fabrication d’au moins une diode électroluminescente (LED) configurée pour émettre un flux lumineux de longueur
Figure imgf000008_0001
Ce procédé de fabrication comprend au moins les étapes suivantes :
Former un empilement selon une direction, dite direction longitudinale, comprenant :
o une couche tampon de GaN déposée sur un premier substrat s’étendant dans un plan basal normal à la direction longitudinale,
o une couche de GaN dopée N déposée sur la première couche tampon, o une couche à puits quantiques non intentionnellement dopée comprenant au moins un puit quantique à base d’InGaN s’étendant parallèlement au plan basal,
o une couche de GaN dopée P déposée sur la couche à puits quantiques, Définir par lithographie sur une face exposée de la couche de GaN dopée P au moins un motif comprenant une région centrale et une bordure entourant cette région centrale,
Implanter du silicium au niveau de chaque bordure depuis la face exposée sur une profondeur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs de la couche de GaN dopée P et de la couche à puits quantiques, de sorte à délimiter dans chaque région centrale une première région de type P au niveau de la couche de GaN dopée P et une deuxième région au niveau de la couche à puits quantiques, et de sorte à former une troisième région de type N au niveau du matériau implanté,
■ Déposer un premier contact métallique sur la première région et un deuxième contact métallique sur la troisième région au niveau de la face exposée, de sorte à former au moins une diode configurée pour émettre un flux lumineux de longueur
Figure imgf000009_0001
L’implantation ionique de silicium dans la couche de GaN dopée P permet avantageusement d’inverser le dopage de type P de sorte à former la troisième région de type N dans ladite couche.
Selon un mode de réalisation avantageux, ce procédé de fabrication peut en outre comprendre les étapes suivantes :
Lors de la formation de la couche de GaN dopée N, former une couche d’arrêt à base d’AIN au sein de ladite couche de GaN dopée N, cette couche d’arrêt étant destinée à stopper précisément une gravure de l’empilement formé,
Avant implantation, graver des tranchées en périphérie de chaque bordure depuis la face exposée de la couche de GaN dopée P, au moins jusqu’à la couche à puits quantiques, de préférence au moins jusqu’à la couche de GaN dopée N, et de préférence au moins jusqu’à une première interface entre la couche d’arrêt et la couche de GaN dopée N,
Après gravure, déposer les premier et deuxième contacts métalliques,
Reporter l’au moins une diode formée sur un deuxième substrat comprenant une électronique de pilotage de type CMOS, la face portant les premier et deuxième contacts métalliques étant en regard de l’électronique de pilotage,
Retirer le premier substrat,
Graver la couche tampon de GaN et au moins en partie la couche de GaN dopée N, de préférence jusqu’à la première interface entre la couche d’arrêt et la couche de GaN dopée N, de sorte à former une cavité résonante pour un flux lumineux de longueur d’onde Aj = X1 ; ladite cavité résonante présentant une hauteur e selon la direction longitudinale telle que :
l
e1 = M1
neff, Où Mt est un nombre entier, l est la longueur d’onde d’émission et neffA est un premier indice effectif de réfraction,
De façon optionnelle, former sur un troisième substrat au moins un convertisseur cj 0 = 2 ...3) de longueur d’onde configuré pour produire au moins un flux lumineux de longueur d’onde
Figure imgf000010_0001
= l7· = 2 ...3) à partir d’un flux lumineux de longueur d’onde lί = l1, l’au moins un convertisseur cj j = 2 ...3) se présentant sous forme d’une cavité de conversion résonante présentant une hauteur e; (j = 2 ...3) selon la direction longitudinale telle que :
Figure imgf000010_0002
Où Mj est un nombre entier, Àj est la longueur d’onde de conversion et neff j est un j- ième indice effectif de réfraction,
De façon optionnelle, reporter le troisième substrat portant l’au moins un convertisseur Cj (J = 2 ...3) en regard de l’au moins une diode électroluminescente à cavité résonante, et aligner l’au moins un convertisseur et l’au moins une diode selon un axe longitudinal commun,
De façon optionnelle, solidariser le troisième substrat et l’au moins une diode de sorte à former un écran comprenant au moins un pixel de couleur.
Le procédé selon cet aspect de l’invention prévoit de retirer la couche tampon et au moins en partie la couche de GaN dopée N. La couche tampon présente en effet des défauts structuraux préjudiciables à l’efficacité de la LED. La couche de GaN dopée N est généralement formée par croissance épitaxiale sur la couche tampon et présente également certains défauts structuraux résiduels. Il est donc avantageux de pouvoir les retirer. Cela permet également de réduire l’épaisseur totale de l’empilement. Une telle réduction d’épaisseur est avantageusement compatible avec la réalisation de LED monomodes ou présentant un faible nombre de modes optiques.
Le procédé selon l’invention permet ainsi d’éliminer ces défauts qui sont des sources de recombinaisons non radiatives.
Le procédé selon l’invention permet également de s’affranchir d’une étape de formation d’une couche de blocage d’électrons EBL (acronyme anglais de « Electron Blocking Layer »). Chaque LED fabriquée par le procédé selon l’invention est de préférence configurée pour injecter latéralement les électrons. Dès lors, une EBL devient inutile. Une EBL serait en outre préjudiciable à l’efficacité de la LED fabriquée par le procédé selon l’invention, comme explicité plus haut en référence aux figures 2A-2C et 3A-3C.
Le procédé selon l’invention est donc plus simple qu’un procédé de fabrication de LED avec EBL, et permet de fabriquer des LED plus efficaces. Il permet en outre de régler plus précisément la hauteur de l’empilement formé, et sur une gamme plus large de hauteurs.
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La FIGURE 1 montre des résultats de mesure de G efficacité d’ une LED en fonction de sa taille d’ après le document « Society for Information Display, International Symposium, Book 1 , Session 25 - 4: Investigation and Improvement of 10 // m Pixel - pitch GaN - based Micro - LED Arrays with Very High Brightness, F. Olivier et al. (2017) » ;
La FIGURE 2A est une modélisation en coupe d’une LED selon un mode de réalisation de la présente invention, à laquelle a été ajoutée une EBL ;
Les FIGURES 2B et 2C montrent des résultats issus de la modélisation d’une LED selon un mode de réalisation de la présente invention, à laquelle a été ajoutée une EBL, pour des largeurs de LED de 5pm et 1 pm respectivement ;
La FIGURE 3A est une modélisation en coupe d’une LED selon un mode de réalisation de la présente invention, sans EBL ;
Les FIGURES 3B et 3C montrent des résultats issus de la modélisation d’une LED selon un mode de réalisation de la présente invention, sans EBL, pour des largeurs de LED de 5pm et 1 pm respectivement ;
Les FIGURES 4A, 5A, 6A illustrent des étapes de réalisation d’un système de LED selon un premier mode de réalisation de la présente invention ;
Les FIGURES 4B, 5B, 6B illustrent des étapes de réalisation d’un système de LED selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention ;
Les FIGURES 7A et 8A illustrent des étapes de report et d’amincissement d’un procédé de fabrication de LED selon un mode de réalisation de la présente invention ; Les FIGURES 7B et 8B illustrent des étapes de report et d’amincissement d’un procédé de fabrication de LED selon un autre mode de réalisation de la présente invention ;
Les FIGURES 9A, 9B et 9C illustrent des systèmes de LED avec convertisseurs selon différents modes de réalisation de la présente invention ;
Les FIGURES 10 et 1 1 illustrent la fabrication d’un écran d’affichage à partir d’un système de LED selon un mode de réalisation de la présente invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs et dimensions des différentes couches et régions des LED illustrées ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, il est rappelé que l’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
La diode électroluminescente présente une structure en mésa.
La troisième région forme un bord de la structure en mésa.
Cette disposition permet de confiner les recombinaisons de porteurs à l’intérieur du mésa et permet de réduire voire d’éviter les recombinaisons de porteurs se produisant en périphérie et qui sont majoritairement non radiatives. En particulier, les recombinaisons en périphérie de type Shockley-Read-Hall qui sont non radiatives sont significativement limitées.
Le bord de la structure en mésa présente une surface libre sensiblement normale au plan basal.
La surface libre peut dès lors être exposée à l’air, ce qui permet d’augmenter un contraste d’indice de réfraction entre l’intérieur du mésa et l’extérieur du mésa.
La première région présente une conductivité électrique de type P, et la troisième région présente une conductivité électrique de type N.
La troisième région présente une concentration de dopants supérieure ou égale à 1 x 1018 cm 3. La mobilité des électrons étant supérieure à celle des trous, les électrons sont injectés latéralement depuis le bord vers le centre de la diode. La recombinaison de porteurs au niveau de l’au moins un puit quantique est ainsi optimisée. Une telle injection latérale des porteurs permet également de s’affranchir d’une couche de blocage des électrons EBL (acronyme anglais de « Electron Blocking Layer »).
La troisième région présente une hauteur sensiblement égale à l’épaisseur de la première couche.
La troisième région présente une hauteur sensiblement égale à la somme des épaisseurs des première et deuxième couches.
L’empilement forme une cavité résonante selon la direction longitudinale pour un flux lumineux de longueur
Figure imgf000013_0001
La cavité résonante présente une hauteur ex selon la direction longitudinale telle que :
li
et = Mt
2neff,l
Où est un nombre entier, Xx est la longueur d’onde d’émission et neff l est un premier indice effectif de réfraction.
La cavité résonante permet d’améliorer la directivité de la diode selon la direction longitudinale. Le rendement d’extraction du flux lumineux de longueur d’onde X peut ainsi être amélioré.
L’au moins un puit quantique est situé à une hauteur el°p selon la direction longitudinale par rapport à une extrémité de la cavité résonante située à l’opposé de la première région telle que : e{op = (2 M[ + 11 Al
4neff, 1
Où M est un nombre entier différent de Mt ou égal à Mt.
Les recombinaisons radiatives à l’origine de l’émission spontanée du flux lumineux de la diode se font majoritairement au niveau de l’au moins un puit quantique. Ce positionnement de l’au moins un puit quantique correspond à un ventre d’un mode de résonance optique de la cavité. Dès lors, la résonance est optimisée pour un flux lumineux de longueur d’onde X . La directivité de la diode selon la direction longitudinale peut être maximisée. Le rendement d’extraction du flux lumineux de longueur d’onde X peut être maximisé. La diode électroluminescente comprend en outre un convertisseur c7 Q = 2 ...3) de longueur d’onde disposé selon un axe longitudinal de la diode et configuré pour produire un flux lumineux de longueur d’onde Xt = Xj (j = 2 ...3) à partir d’un flux lumineux émis de longueur d’onde Xt = X .
Un tel convertisseur permet notamment de former des diodes émettant un flux lumineux dans le rouge ou dans le vert, à partir d’une émission spontanée d’un flux lumineux dans le bleu. Une telle diode peut former un sous-pixel d’un pixel unitaire.
La LED selon l’invention est configurée pour produire un flux lumineux sortant de longueur d’onde X^
Selon un mode de réalisation de la LED sans convertisseur, ce flux lumineux sortant présente une longueur d’onde Xt = X . Le flux lumineux de longueur d’onde X peut être considéré comme un flux lumineux de base.
Selon un mode de réalisation de la LED avec convertisseur, le flux lumineux sortant présente une longueur d’onde Xt = X j (j = 2 ... 3) différente de la longueur d’onde X du flux lumineux de base.
L’empilement comprend le convertisseur cj {j = 2 ...3) de longueur d’onde et forme une cavité résonante selon la direction longitudinale pour le flux lumineux de longueur d’onde X et pour le flux lumineux de longueur d’onde Xj (j = 2 ...3).
Le convertisseur c,· (j = 2 ...3) est ainsi couplé avec la source du flux lumineux de longueur d’onde X au sein de la même cavité. Le rendement d’extraction des flux lumineux de longueur d’onde X et Xj (j = 2 ...3) peut ainsi être amélioré. L’intégration de ce convertisseur dans la diode est ainsi améliorée. L’intégration d’une telle diode dans un système optoélectronique peut ainsi être simplifiée.
La cavité formée par l’empilement comprenant le convertisseur cj (j = 2 ...3) présente une hauteur ? selon la direction longitudinale telle que :
X 1
Figure imgf000014_0001
ë = M1 = Mi
2 n eff 1 2 n effj
Où Ml Mj sont des nombres entiers avec Mj différent de
Figure imgf000014_0002
ou égal à Mt, X et Xj 0 = 2 ... 3) sont respectivement les longueurs d’onde d’émission et de conversion, et neff , neffj sont respectivement un premier et un j-ième indice effectif de réfraction. Une telle cavité permet avantageusement d’obtenir une résonnance pour chacune des deux longueurs d’onde d’émission et de conversion, éventuellement pour des modes de résonnance optique différents.
La directivité et le rendement d’extraction des flux lumineux de longueur d’onde l et l j 0 = 2 ... 3) sont ainsi améliorés.
Le convertisseur c7 (/ = 2 ...3) de longueur d’onde présente un centre situé à une hauteur ejop j = 2 ... 3) selon la direction longitudinale par rapport à une extrémité supérieure de la cavité résonante telle que :
Figure imgf000015_0001
Où Mj' est un nombre entier, l7· la longueur d’onde de conversion et neff est un j-ième indice effectif de réfraction.
Le convertisseur c7 {j = 2 ...3) est ainsi positionné au niveau d’un ventre d’un mode de résonance de la cavité. Dès lors, la résonance est optimisée pour des flux lumineux de longueur d’onde l7· j = 2 ...3). La directivité de la diode selon la direction longitudinale peut être maximisée. Le rendement d’extraction des flux lumineux de longueur d’onde l j 0 = 2 ... 3) peut être maximisé.
Le convertisseur c7 j = 2 ...3) de longueur d’onde comprend une cavité de conversion résonante.
Le convertisseur comprend ainsi sa propre cavité résonante, dite cavité de conversion résonante, résonant indépendamment de la source du flux lumineux de longueur d’onde l . Une telle cavité peut ainsi être spécifiquement dimensionnée pour des flux lumineux de longueur d’onde l 7 (j = 2 ...3) issus du convertisseur c7 (j = 2 ...3). Une telle cavité peut dès lors être plus efficace pour améliorer la directivité et le rendement d’extraction des flux lumineux de longueur d’onde l 7 (j = 2 ...3) qu’un couplage du convertisseur et de la source au sein d’une même cavité.
La cavité de conversion résonante présente une hauteur e7 {j = 2 ... 3) selon la direction longitudinale telle que :
Figure imgf000015_0002
Où Mj est un nombre entier, l7· la longueur d’onde de conversion et neff j est un j-ième indice effectif de réfraction. La cavité de conversion résonante est bordée au moins en partie par des miroirs de Bragg s’étendant parallèlement au plan basal et configurés pour être au moins partiellement réfléchissants pour un flux lumineux de longueur d’onde Xt = Xj (j = 2 ...3) et transparents pour un flux lumineux de longueur d’onde Xt = X .
Les miroirs de Bragg permettent d’améliorer la qualité de la cavité de conversion résonante.
Le convertisseur cj (j = 2 ...3) de longueur d’onde comprend des boites quantiques.
Le convertisseur c7 (/ = 2 ...3) de longueur d’onde comprend des puits quantiques bidimensionnels.
Le convertisseur cj (j = 2 ...3) de longueur d’onde est découplé de la cavité résonante de la diode.
La diode électroluminescente comprend en outre un premier contact métallique formé sur la première région et un deuxième contact métallique formé sur la troisième région.
Les premier et deuxième contacts sont portés sur une même face de la diode.
L’accès aux contacts est ainsi simplifié. L’intégration de la diode peut être améliorée.
L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
Le système comprend en outre une électronique de pilotage des diodes contactée au niveau d’une face de la pluralité de diodes portant une pluralité de premiers contacts et de deuxièmes contacts formés respectivement sur les première et troisième régions de chacune des diodes de ladite pluralité de diodes.
Le système comprend en outre une pluralité de convertisseurs c7 (/ = 2 ...3) de longueur d’onde configurés pour produire des flux lumineux de longueur d’onde Xi = Ό 0 = 2 ...3) à partir d’un flux lumineux émis de longueur d’onde Xt = X1 ; chacun des convertisseurs de ladite pluralité de convertisseurs étant associé à une diode de la pluralité de diodes, de sorte à former des pixels de couleur.
Ce système permet de former un écran comprenant des pixels rouges, verts et bleus par exemple.
L’invention selon son troisième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement : L’implantation du silicium au niveau de la bordure est configurée pour former une ou des troisièmes régions de type N avec une concentration de dopants supérieure ou égale à 1 x 1018 crrf3.
L’au moins un convertisseur cj j = 2 ...3) est formé par lithographie à partir d’une résine photosensible comprenant des boites quantiques.
Un pixel d'une image correspond à l'élément unitaire de l'image affichée par un écran d'affichage. Pour la formation d’une image couleur, chaque pixel de couleur comprend généralement au moins trois composants d'émission et/ou de conversion d’un flux lumineux, également appelés sous-pixels.
Dans la suite, ces sous-pixels émettent chacun un flux lumineux sensiblement dans une seule couleur (par exemple, le rouge, le vert et le bleu). La couleur d’un pixel perçue par un observateur vient de la superposition des différents flux lumineux émis par les sous-pixels.
Typiquement, une LED ou pLED permet d’émettre le flux lumineux associé à un sous- pixel. Dans la présente demande, on entend par taille de LED sa dimension d’extension principale dans le plan basal. La taille d’un sous-pixel est dès lors directement corrélée à la taille de LED.
Sauf mention explicite, il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, la disposition relative d’une troisième couche intercalée entre une première couche et une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les couches sont directement au contact les unes des autres, mais signifie que la troisième couche est soit directement au contact des première et deuxième couches, soit séparée de celles- ci par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Les étapes de formation des différentes régions s’entendent au sens large : elles peuvent être réalisées en plusieurs sous-étapes qui ne sont pas forcément strictement successives.
Dans la présente invention des types de dopage sont indiqués. Ces dopages sont des exemples non limitatifs. L’invention couvre tous les modes de réalisation dans lesquels les dopages sont inversés. Ainsi, si un exemple de réalisation mentionne pour une première région un dopage P et pour une troisième région un dopage N, la présente description décrit alors, implicitement au moins, l’exemple inverse dans lequel la première région présente un dopage N et la troisième région un dopage P. Un dopage noté P englobe tous les dopages par porteurs de charges positives quelle que soit la concentration de dopants. Ainsi, un dopage P peut s’entendre d’un dopage P, P+ ou P++. De même, un dopage noté N englobe tous les dopages par porteurs de charges négatives quelle que soit la concentration de dopants. Ainsi, un dopage N peut s’entendre d’un dopage N, N+ ou N++.
Les gammes de concentration de dopants associées à ces différents dopages sont les suivantes :
■ dopage P++ ou N++ : supérieur à 1 x 1020 cm 3
■ dopage P+ ou N+ : 1 x 1018 cm 3 à 9 x 1019 cm 3
■ dopage P ou N : 1 x 1017 cm 3 à 1 x 1018 cm 3
■ dopage intrinsèque : 1 x 1015 cm 3 à 1 x 1017 cm 3
Dans la suite, les abréviations suivantes relatives à un matériau M sont éventuellement utilisées :
■ M-i réfère au matériau M intrinsèque ou non intentionnellement dopé, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -i.
■ M-n réfère au matériau M dopé N, N+ ou N++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -n.
■ M-p réfère au matériau M dopé P, P+ ou P++, selon la terminologie habituellement utilisée dans le domaine de la microélectronique pour le suffixe -p.
On entend par « matrice » un tableau sous forme de lignes et de colonnes. Par exemple, une matrice peut comprendre une pluralité de lignes et une pluralité de colonnes, ou une seule ligne et une pluralité de colonnes, ou encore une pluralité de lignes et une seule colonne.
Dans la présente demande de brevet, les termes « diode électroluminescente », « LED » ou simplement « diode » sont employés en synonymes.
On entend par un substrat, une couche, un dispositif, « à base » d’un matériau M, un substrat, une couche, un dispositif comprenant ce matériau M uniquement ou ce matériau M et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments d’alliage, des impuretés ou des éléments dopants. Ainsi, une LED à base de nitrure de gallium (GaN) peut par exemple comprendre du nitrure de gallium (GaN ou GaN-i) ou du nitrure de gallium dopé (GaN-p, GaN-n) ou encore du nitrure de gallium-indium (InGaN) ou du nitrure de gallium-aluminium (AIGaN).
Dans la présente demande de brevet, la profondeur, la hauteur et l’épaisseur sont prises selon la direction longitudinale, et la largeur est prise dans le plan basal. On parlera préférentiellement d’épaisseur pour une couche, de hauteur pour un dispositif, et de profondeur pour une gravure ou une implantation par exemple.
On entend par « latérale », « latéralement », selon les cas :
une orientation des régions, des bords ou des interfaces selon la direction longitudinale,
une injection principalement dirigée selon une direction du plan basal, une disposition des différentes régions ou éléments en périphérie de la LED.
Un flux lumineux de longueur d’onde Xt (i = 1 ...3) s’entend d’un flux lumineux dont le spectre comprend principalement la longueur d’onde Xt (i = 1 ...3). Ce flux lumineux n’est pas nécessairement monochromatique.
Dans la suite, un indice effectif de réfraction est défini pour un matériau, éventuellement pour un matériau moyen ou modèle, et pour un mode de résonance optique dans ce matériau. L’indice effectif de réfraction est égal au rapport de la célérité c (vitesse de la lumière dans le vide) sur la vitesse de propagation de la lumière dans le matériau et selon le mode de résonance optique considéré. Cet indice effectif correspond à l’indice effectif de réfraction du matériau pour une propagation effective de la lumière selon la direction longitudinale.
neff,i est un premier indice effectif de réfraction, relatif à un premier mode de résonance optique pour une propagation d’un flux lumineux de longueur d’onde X dans le matériau considéré.
neff est un j-ième indice effectif de réfraction, relatif à un j-ième mode de résonance optique pour une propagation d’un flux lumineux de longueur d’onde Xj dans le matériau considéré.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient « à 10% près » ou, lorsqu'il s'agit d'une orientation angulaire, « à 10° près ». Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan.
Pour déterminer la géométrie de la LED et les compositions entre les différentes régions dopées et non dopées ou intrinsèques, on peut procéder à des analyses de Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ou de Microscopie Electronique en Transmission (MET ou TEM pour l’acronyme anglais de « Transmission Electron Microscopy »).
Le positionnement relatif des différentes régions et contacts métalliques de la LED peut être obtenu à partir d’une coupe transverse.
Par ailleurs, une implantation d’éléments dans une région, et en particulier une implantation à différentes énergies sur toute une hauteur de la région produit des artefacts caractéristiques pour l’homme du métier (définition de l’interface entre la région implantée et la région adjacente, guérison des défauts d’implantation). Ces artefacts caractéristiques peuvent également être simulés par des méthodes de type Monte Carlo et/ou des méthodes d’éléments finis (FEM pour l’acronyme anglais Finite Eléments Method).
Les compositions chimiques des différentes régions peuvent être déterminées à l’aide des méthodes suivantes bien connues telles que :
EDX ou X-EDS acronyme de « energy dispersive x-ray spectroscopy » qui signifie « analyse dispersive en énergie de photons X ».
Cette méthode est bien adaptée pour analyser la composition de dispositifs de petites tailles telles que des pLED. Elle peut être mise en oeuvre sur des coupes métallurgiques au sein d’un Microscope Electronique à Balayage (MEB) ou sur des lames minces au sein d’un Microscope Electronique en Transmission (MET).
SIMS, acronyme de « Secondary Ion Mass Spectroscopy » qui signifie « Spectroscopie de Masse à Ionisation Secondaire ».
ToF-SIMS, acronyme de « Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy » qui signifie « Spectroscopie de Masse à Ionisation Secondaire à temps de vol ».
Ces méthodes permettent d’accéder à la composition élémentaire des différentes régions.
Un premier mode de réalisation d’au moins une LED selon l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 4A, 5A et 6A. La LED 100 ou la pluralité de LED 100a, 100b obtenue par ce premier mode de réalisation est à base de GaN et présente une structure sans mésa à injection latérale.
La LED 100 peut être avantageusement fabriquée à partir d’un empilement planaire de couches 10, 20, 30, 40 sur un substrat 50. Chaque couche 10, 20, 30, 40 de l’empilement s’étend dans un plan basal et l’empilement est formé selon une direction longitudinale de préférence normale au plan basal (figure 4A).
Classiquement, une couche tampon 40 de GaN-n est de préférence épitaxiée sur un substrat 50 saphir AI203. Cette couche tampon 40 peut présenter une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, typiquement 1 pm.
Cette couche tampon 40 est configurée pour limiter la propagation de défauts structuraux générés par hétéroépitaxie, par exemple des dislocations de désaccord de maille, au travers de l’empilement.
Le substrat peut être alternativement un substrat silicium ou un substrat en carbure de silicium par exemple.
Une couche 30 de GaN-n peut ensuite être épitaxiée sur la couche tampon 40. Cette couche 30 de GaN-n peut présenter une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, typiquement 500 nm.
Cette couche 30 de GaN-n présente un taux de dislocations plus faible que celui de la couche tampon 40, de préférence inférieur à 1010 cm 2, et de préférence inférieur ou égal à 108 cm 2.
Une couche à puits quantiques 20 non intentionnellement dopée comprenant au moins un puit quantique à base d’InGaN peut ensuite être épitaxiée sur la couche 30 de GaN- n. Les puits quantiques s’étendent de préférence parallèlement au plan basal.
Ces puits quantiques peuvent typiquement présenter une épaisseur de quelques nanomètres, par exemple comprise entre 1 nm et 5 nm. Ils peuvent être séparés les uns des autres par des couches de GaN intercalées présentant des épaisseurs de quelques nanomètres, par exemple comprises entre 3 nm et 15 nm.
La couche à puits quantiques 20 peut comprendre entre un et cinquante puits quantiques. Elle peut présenter une épaisseur comprise entre 10 nm et 500 nm, de préférence entre 10 nm et 200 nm afin de réduire l’épaisseur totale de l’empilement.
Une couche 10 de GaN-p peut ensuite être épitaxiée sur la couche à puits quantiques 20. Cette couche 10 de GaN-p peut présenter une épaisseur comprise entre 20 nm et 200 nm.
Les porteurs majoritaires dans la couche 10 de GaN-p sont des trous. Cette couche 10 peut présenter une concentration de dopants comprise entre 1017 cm 3 et 1019 cm 3. La mobilité des trous étant inférieure à celle des électrons, les recombinaisons radiatives de paires électrons-trous ont lieu principalement au niveau du ou des premiers puits quantiques jouxtant cette couche 10 de GaN-p.
Différentes techniques d’épitaxie peuvent être mises en oeuvre de manière à former cet empilement selon la direction longitudinale. Par exemple et de manière non limitative, les techniques de dépôt chimique en phase vapeur CVD (acronyme de « Chemical Vapor Déposition »), d’épitaxie en phase vapeur à précurseurs organométalliques MOVPE (acronyme de « MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy »), d’épitaxie en phase vapeur à précurseurs gazeux chlorés HVPE (acronyme de « Hydride Vapour Phase Epitaxy »), de dépôt de couches minces atomiques ALD (acronyme de « Atomic Layer Déposition »), d’épitaxie par jets moléculaires MBE (acronyme de « Molecular Beam Epitaxy »). L’empilement est de préférence formé au sein d’un même bâti d’épitaxie.
Un ou des motifs peuvent ensuite être définis par lithographie. Chaque motif est destiné à la formation d’une LED 100. Chaque motif en projection dans le plan basal peut être de forme carrée, rectangulaire ou circulaire par exemple. Les motifs en projection forment de préférence une matrice à partir de laquelle peut être formée une matrice de LED 100M.
Ils peuvent présenter une largeur, c’est-à-dire une dimension d’extension principale dans le plan basal, comprise entre 300 nm et 500 pm, de préférence entre 300 nm et 50 pm. Une dimension de l’ordre de 500 pm peut être utilisée pour la réalisation de panneaux ou d’écrans de signalisation numérique par exemple. Une dimension inférieure à 50 pm ou inférieure à 30 pm permet de réaliser des écrans à base de pLED.
Chaque motif comprend de préférence une région centrale entourée par une bordure.
La région centrale est masquée à l’issue de la lithographie, sur une face initialement exposée de la couche 10 de GaN-p, de façon à protéger l’empilement sous-jacent au niveau de cette région centrale.
Cette région centrale, destinée à former une zone émissive, peut présenter une largeur comprise entre 300 nm et 10 pm.
La région centrale comprend de préférence la première région 1 de la LED, formée dans la couche 10 de GaN-p, et la deuxième région 2 de la LED, formée dans la couche à puits quantiques 20. La bordure reste de préférence exposée à l’issue de la lithographie, de sorte à pouvoir implanter depuis la face exposée des espèces ou des atomes, de préférence de type donneur, sur toute une hauteur de l’empilement sous-jacent.
Cette bordure peut présenter une largeur comprise entre 50 nm et 10 pm, de préférence entre 200 nm et 2 pm.
Une implantation ionique peut être effectuée dans et/ou au travers de la couche 10 de GaN-p et de la couche à puits quantiques 20 pour délimiter d’une part les première et deuxième régions 1 , 2 de la LED 100, et pour former d’autre part la troisième région 3 de la LED 100 (figure 5A).
Cette implantation ionique est de préférence configurée pour implanter du silicium sur une profondeur totale comprise entre 10 nm et 10 pm, de préférence entre 30 nm et 500 nm, à des concentrations comprises entre 1017 cm 3 et 1019 cm 3.
Cette implantation permet avantageusement d’inverser la conductivité de la couche 10 au niveau de la troisième région 3. Une jonction PN est ainsi créée entre les deuxième et troisième régions 2, 3 de la LED 100.
En particulier, le GaN-p de la couche 10 peut devenir un GaN-n dans la troisième région 3 après implantation du silicium.
Différentes énergies d’implantation peuvent permettre d’implanter du silicium à différentes profondeurs sous la face exposée selon la direction longitudinale, de sorte à obtenir une distribution relativement uniforme sur toute une profondeur d’implantation.
De façon connue, un profil de profondeur d’implantation en fonction de l’énergie peut être estimé à partir de calculs de type MonteCarlo. Il est dès lors possible d’ajuster la variation d’énergie en fonction de la profondeur d’implantation souhaitée.
Cette profondeur d’implantation correspond sensiblement à la hauteur de la troisième région 3.
Par exemple, une implantation de silicium réalisée sur un implanteur VllSta 3000XP de Applied Material, avec une énergie variant progressivement entre 10 keV et 500 keV peut former une troisième région 3 de type N sur une hauteur de l’ordre de 350 nm.
Les doses d’implantation peuvent être comprises entre 1013 cm 2 et 1016 cm 2.
A l’issue de cette implantation ionique, les première, deuxième et troisième régions 1 , 2, 3 de la LED 100 sont formées. Optionnellement, un recuit d’activation et/ou de guérison peut être effectué. Le recuit d’activation permet par exemple de donner le caractère donneur aux atomes de silicium implantés. Le recuit de guérison permet notamment de réduire les défauts structuraux liés à l’implantation. Ces recuits d’activation et/ou de guérison sont typiquement réalisés à des températures comprises entre 800°C et 1000°C, et pour des durées comprises entre 15 min et 2h. En particulier, ces températures et durées de recuit peuvent être ajustées de façon à ne pas dégrader les puits quantiques de la couche à puits quantiques 20. De tels recuits sont parfaitement connus de l’homme du métier.
Selon un mode de réalisation illustré à la figure 6A, des premiers contacts métalliques 1 1a, 1 1 b, dénommés contacts P, sont déposés sur les premières régions 1 a, 1 b de type P et des deuxièmes contacts métalliques 12, dénommés contacts N, sont déposés sur les troisièmes régions 3 de type N, au niveau de la face exposée.
De façon avantageuse, deux diodes 100a, 100b adjacentes partagent ainsi au moins en partie une troisième région 3 et un même contact N 12. Cela permet de limiter le nombre de connexions nécessaires pour alimenter les diodes 100a, 100b de la matrice de diodes 100M.
Les contacts N 12 permettent de préférence d’injecter latéralement des électrons depuis la troisième région 3 vers la première région 1a, 1 b.
Les contacts P 11 a, 11 b permettent d’injecter des trous dans la première région 1a, 1 b.
Un trou de la première région 1 , 1 a, 1 b peut dès lors former dans la zone centrale une paire électron-trou avec un électron provenant de la troisième région 3. Cette paire peut ensuite être annihilée par recombinaison radiative au niveau d’un puit quantique de la deuxième région 2, 2a, 2b, typiquement et principalement au niveau du puit quantique en bordure immédiate de la première région 1 , 1 a, 1 b. Un flux lumineux de longueur d’onde l est alors émis.
Par exemple, pour des couches 10, 20 à base de GaN et des puits quantiques à base d’InGaN, la longueur d’onde l peut être comprise entre 400 nm et 650 nm, de préférence entre 400 nm et 470 nm.
Le flux lumineux est de préférence extrait au niveau d’une face émissive opposée à la face portant les contacts 1 1a, 1 1 b, 12.
Une telle LED 100 émet de préférence dans le bleu et peut être dénommée LED bleue dans la suite. L’injection latérale de porteurs, en particulier des électrons, est particulièrement efficace et permet d’éviter le recours à une couche de blocage d’électrons EBL. Une comparaison de résultats est présentée aux figures 2A-2C et 3A-3C, respectivement entre une LED à injection latérale selon l’invention comprenant en outre une EBL, et une LED à injection latérale selon l’invention sans EBL.
La figure 2B montre l’efficacité globale WPE en fonction du courant d’anode, correspondant au courant délivré au niveau du contact P de la LED, pour une LED avec EBL de rayon R=5pm. Son efficacité globale maximale ou rendement maximal WPEmax est de 12%.
Par comparaison, la figure 3B montre l’efficacité globale WPE en fonction du courant d’anode pour une LED sans EBL de rayon R=5pm. Son rendement maximal WPEmax est de 52%. Ce rendement maximal est significativement plus élevé que celui atteint par une LED à injection latérale avec EBL. L’écart relatif de rendement est de 40%.
La figure 2C montre l’efficacité globale WPE en fonction du courant d’anode pour une LED avec EBL de rayon R=1 pm. Son rendement maximal WPEmax est de 5%.
Par comparaison, la figure 3C montre l’efficacité globale WPE en fonction du courant d’anode pour une LED sans EBL de rayon R=1 pm. Son rendement maximal WPEmax est de 65%. L’écart relatif de rendement est ici de 60%.
La LED à injection latérale selon l’invention permet donc avantageusement de former une pLED, présentant notamment une dimension d’extension principale dans le plan basal inférieure ou égale à 12 pm.
D’autres modes de réalisation de LED 100, 100a, 100b selon l’invention sont décrits ci- après. Seules les caractéristiques distinctes du mode de réalisation précédent sont décrites ci-après, les autres caractéristiques non décrites étant réputées identiques à celles du mode de réalisation précédemment décrit.
Selon un mode de réalisation illustré aux figures 4B, 5B et 6B, la LED 100 présente en outre une structure en mésa.
Afin d’obtenir cette structure en mésa, une lithographie et une gravure sont de préférence réalisées à l’issue de la formation de l’empilement des couches 10, 20, 30, 40, avant la définition du motif de LED.
La lithographie permet de définir les zones à graver.
La gravure peut être configurée pour former des tranchées autour de chaque LED au moins en partie au travers de l’empilement des couches 10, 20, 30 (figure 4B). Ces tranchées bordent de préférence chaque LED, en périphérie de la bordure de chaque motif de LED.
Selon une possibilité, les tranchées présentent une profondeur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs des première et deuxième couches 10, 20.
Une gravure anisotrope, par exemple une gravure sèche de type RIE (acronyme anglais de « Reactive Ion Etching ») ou plasma à base d’espèces chlorées, permet de réaliser de telles tranchées sensiblement selon la direction longitudinale.
Deux LED 100a, 100b adjacentes sont de préférence séparées par une même tranchée.
Les tranchées présentent de préférence une largeur supérieure ou égale à 200 nm. Cela permet de limiter ou d’éviter le couplage optique réciproque entre LED adjacentes.
La structure en mésa permet de façon connue d’isoler optiquement au moins en partie la zone émissive de la LED et/ou de guider la propagation d’un flux lumineux émis par la zone émissive.
Le flux lumineux est en effet confiné à l’intérieur du mésa par contraste d’indices de réfraction entre l’intérieur du mésa et la tranchée.
Après gravure, l’implantation ionique de silicium au niveau de la bordure du motif de LED, le long des bords du mésa, peut être effectuée (figure 5B).
Cette implantation permet à la fois de former la troisième région 3 de chaque LED, et de passiver les bords libres du mésa.
La profondeur d’implantation est de préférence sensiblement égale à la profondeur de gravure.
Des premiers contacts 1 1a, 1 1 b peuvent ensuite être déposés sur les premières régions 1 a, 1 b des LED 100a, 100b, et des deuxième contacts 12a, 12b peuvent ensuite être déposés sur les troisièmes régions 3a, 3b au niveau de la face exposée.
La LED 100a comprend ainsi de préférence un deuxième contact 12a séparé d’un autre deuxième contact 12b de la LED 100b adjacente.
Les LED 100a, 100b sont électriquement indépendantes les unes des autres et peuvent être pilotées indépendamment.
Des LED 100a, 100b à structure en mésa et à injection latérale sont ainsi réalisées. La zone de charge d’espace, s’étendant latéralement depuis la jonction PN entre les première et troisième régions 1 , 3, et l’injection des électrons vers la zone centrale permettent avantageusement de confiner les paires électrons-trous dans la zone centrale. Les bords libres du mésa ne perturbent donc pas les mécanismes de recombinaison radiative, contrairement à une LED à structure en mésa classique.
Les LED 100a, 100b selon ce mode de réalisation présentent donc à la fois un confinement optique et un confinement électronique permettant respectivement de limiter le couplage optique réciproque entre LED et d’optimiser le taux de recombinaisons radiatives des LED.
Comme illustré aux figures 7 A et 8A, la pluralité de LED formée sur le substrat 50 est ensuite reportée sur une électronique de pilotage 60.
Les premier et deuxième contacts 1 1 , 12 des LED sont avantageusement portés sur une même face, la face exposée de la couche 10 de GaN-p, ce qui facilite une connexion avec l’électronique de pilotage 60 (figure 7A).
Diverses méthodes de report et de connexion bien connues de l'homme du métier et de pratique courante dans l'industrie de la microélectronique peuvent être employées afin de connecter l’électronique de pilotage 60 et la pluralité de LED.
Le retournement et le report peuvent se faire par exemple par une méthode dénommée « flip chip » (signifiant « retournement de puce »).
Un premier amincissement depuis la face arrière du substrat 50 peut ensuite être effectué de manière à retirer le substrat 50, de préférence la couche tampon 40 et de préférence au moins en partie la couche de GaN-n 30 (figure 8A).
Ce premier amincissement peut se faire par un premier rognage mécanique, typiquement à l’aide d’un abrasif à gros grains de façon à retirer rapidement au moins 90% de l’épaisseur souhaitée, suivi d’un polissage mécano-chimique permettant de contrôler précisément un enlèvement de l’épaisseur résiduelle.
Le premier amincissement permet de rapprocher la face émissive de la zone émissive. Cela permet avantageusement d’améliorer l’extraction du flux lumineux émis par la diode.
Le premier amincissement permet également de faciliter ou d’améliorer l’intégration de la matrice de diodes 100M au sein d’un écran d’affichage par exemple, en réduisant l’encombrement de cette matrice. Selon un mode de réalisation illustré aux figures 7B et 8B, l’épaisseur retirée par amincissement peut être précisément contrôlée par l’intermédiaire d’une couche d’arrêt 31 préalablement intégrée à l’empilement.
En particulier, une couche d’arrêt 31 à base d’AIGaN ou d’AIN peut être formée au sein de la couche de GaN-n 30 lors de l’épitaxie de cette couche de GaN-n.
Le positionnement en hauteur de cette couche d’arrêt 31 dans la couche de GaN-n 30, et l’épaisseur de cette couche d’arrêt 31 peuvent être avantageusement précisément contrôlés.
Avant retournement, la gravure des tranchées est de préférence effectuée de sorte à traverser au moins en partie la couche d’arrêt 31.
Par exemple, la gravure des tranchées peut être paramétrée de sorte à traverser la couche d’arrêt 31 sur toute son épaisseur, au moins jusqu’à une première interface 311 et de préférence jusqu’à une deuxième interface 312 entre cette couche d’arrêt 31 et la couche 30.
Après retournement et après le premier amincissement mécanique, un deuxième amincissement par gravure de la couche 30 peut être avantageusement effectué.
Cette gravure de la couche 30 est de préférence choisie de façon à présenter une bonne sélectivité vis-à-vis de la couche d’arrêt 31.
En particulier, pour une couche 30 à base de GaN et une couche d’arrêt 31 à base d’AIGaN, une gravure photo-électrochimique peut présenter une sélectivité SMGaN/GaN supérieure à 100:1.
Pour une couche 30 à base de GaN et une couche d’arrêt 31 à base d’AIN, une gravure photo-électrochimique peut également présenter une sélectivité SAM/GaN supérieure à 100:1.
On pourra par exemple se reporter au document « Sélective Etching of GaN from AIGaN/GaN and AIN/GaN Structures, Journal of Nitride Semiconductor Research, J.A. Grenko, Volume 9 (2004) » pour la mise en oeuvre d’une telle gravure.
Dès lors, l’arrêt de la gravure est facilité. A l’issue de cette gravure, l’amincissement est stoppé sur la première interface 311.
L’empilement présente alors une épaisseur résiduelle e.
Cette épaisseur résiduelle e correspond à la hauteur e des LED 100 de la matrice de LED 100M. L’interface 311 peut dès lors correspondre à la face émissive des diodes.
La hauteur e des LED peut avantageusement être précisément contrôlée par le positionnement de la couche d’arrêt 31 au sein de la couche 30.
En particulier, selon un mode de réalisation préféré, la hauteur ex des LED peut être choisie de sorte que :
li
et = Mt
2neff,l
Où est un nombre entier, l la longueur d’onde d’émission et neff l est l’indice effectif de réfraction dans les LED. Des LED à cavité résonante, appelées RCLED (acronyme anglais de « Résonant Cavity LED ») peuvent dès lors être formées (figure 8B).
Ces RCLED émettent un flux lumineux de longueur d’onde l principalement selon la direction longitudinale.
On choisira de préférence Mt = 1 afin de former des RCLED monomode. Cette configuration permet avantageusement d’éviter une propagation du flux lumineux en bordure de la RCLED selon d’autres modes de résonance de la cavité.
Dans la suite, les LED bleues peuvent comprendre les RCLED.
Afin de former des LED émettant à d’autres longueurs d’onde, par exemple dans le vert à une longueur d’onde l2 et dans le rouge à une longueur d’onde l3, des convertisseurs cj j = 2 ...3) de longueur d’onde peuvent être adjoints aux LED bleues.
Typiquement, un convertisseur c2 configuré pour produire un flux lumineux de longueur d’onde l2 à partir du flux lumineux de longueur d’onde l peut être associé à une LED bleue.
Un convertisseur c3 configuré pour produire un flux lumineux de longueur d’onde l3 à partir du flux lumineux de longueur d’onde l peut être associé à une LED bleue.
Avantageusement, des pixels de couleur d’un écran d’affichage peuvent ainsi être formés.
Une LED verte correspond dès lors à un sous-pixel vert d’un pixel de couleur.
Une LED rouge correspond dès lors à un sous-pixel rouge d’un pixel de couleur.
Une LED bleue, sans convertisseur, correspond à un sous-pixel bleu d’un pixel de couleur. Ces convertisseurs c,· (J = 2 ...3) de longueur d’onde peuvent comprendre des boites quantiques QD (acronyme anglais de « Quantum Dot »).
Ces boites quantiques QD peuvent être par exemple des nanoparticules ou des nanocristaux de taille et de composition variables. La longueur d’onde l7· (j = 2 ...3) réémise par les QD dépend notamment de leur taille et de leur composition.
Avantageusement, l’utilisation de résines photosensibles chargées en QD peut permettre de former les réseaux des sous-pixels verts et rouges sur la matrice de LED bleues 100M.
Par exemple, après dépôt d’une première résine photosensible chargée en QD d’un premier type, par exemple des nanoparticules cœur/coquille à base de CdSe/ZnS ou InP/ZnS ou CdSe/CsS/ZnS, et de taille de l’ordre de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, par exemple comprise entre 2 nm et 100 nm, une première lithographie peut être réalisée pour former le réseau de sous-pixels verts.
Après dépôt d’une deuxième résine photosensible chargée en QD d’un deuxième type, par exemple des nanoparticules cœur/coquille à base de CdSe/CdS ou InP/CdS et de taille de l’ordre de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, par exemple comprise entre 2 nm et 100 nm, une deuxième lithographie peut être réalisée pour former le réseau de sous-pixels rouges.
Les QD du deuxième type peuvent être de même nature que les QD du premier type, et différer simplement par le rapport de taille cœur/coquille.
Alternativement, des convertisseurs c7 (j = 2 ... 3) comprenant des puits quantiques QW (acronyme anglais de « Quantum Well ») peuvent être associés aux LED bleues. De tels convertisseurs à puits quantiques peuvent être réalisés par dépôt(s) et/ou épitaxie(s).
Les paramètres de dépôt, par exemple la vitesse de rotation pour un dépôt de résine par centrifugation, peuvent avantageusement permettre de former des convertisseurs cj 0 = 2 ...3) sous forme de couches d’épaisseurs contrôlées.
Selon un mode de réalisation illustré à la figure 9A, ces convertisseurs cj (j = 2 ...3) de longueur d’onde peuvent être déposés directement sur la matrice de LED bleues 100M au contact de la face émissive des LED.
Alternativement, selon un mode de réalisation illustré à la figure 9B, ces convertisseurs cj 0 = 2 ...3) de longueur d’onde peuvent être couplés aux LED bleues, en étant de préférence intégrés au sein d’une cavité optique résonante. En particulier, une couche de convertisseur c2, c3 peut être intercalée entre deux couches transparentes, par exemple en Ti02 ou en Zr02, pour former selon la direction longitudinale un empilement 52, 53 directement au contact de la face émissive de la LED bleue.
L’empilement 52, 53 et la LED bleue présentent une hauteur totale .
Les différentes épaisseurs de couches sont choisies de préférence telles
que :
Figure imgf000031_0001
Où Mt, Mj sont des nombres entiers avec Mj différent de
Figure imgf000031_0002
ou égal à Mt, l et l j 0 = 2 ... 3) sont respectivement les longueurs d’onde d’émission et de conversion, et neffl, neffj sont respectivement un premier et un j-ième indice effectif de réfraction.
Dès lors, l’empilement 52, 53 et la LED bleue forment une cavité optique résonante pour chacune des deux longueurs d’onde d’émission et de conversion, éventuellement pour des modes de résonnance optique différents.
Selon un mode de réalisation préféré, les différentes épaisseurs de couches sont choisies de sorte qu’un plan médian de la couche de convertisseur cj (j = 2 ...3) soit positionné à une hauteur ejop (j = 2 ...3) par rapport à une extrémité supérieure de la cavité résonante, avec :
Figure imgf000031_0003
Où Mj' est un nombre entier.
Le convertisseur cj {j = 2 ...3) est dès lors avantageusement positionné sur un ventre de mode de résonance optique. Le rendement d’extraction des flux lumineux de longueur d’onde j (j = 2 ... 3) au niveau de l’extrémité supérieure de la cavité résonante est ainsi maximisé.
La LED bleue sans convertisseur peut également comprendre une couche transparente, par exemple en Ti02 ou en Zr02, pour former une cavité de hauteur e résonante pour la longueur d’onde l .
L’épaisseur de cette couche transparente est de préférence choisie de sorte que le premier puit quantique de la deuxième région 2 jouxtant la première région 1 soit positionné à une hauteur e7 op par rapport à une extrémité supérieure de la cavité résonante, telle que :
Figure imgf000032_0001
Ce premier puit quantique, au niveau duquel se fait la majorité des recombinaisons radiatives, est dès lors avantageusement positionné sur un ventre de mode de résonance optique. Le rendement d’extraction du flux lumineux de longueur d’onde l au niveau de l’extrémité supérieure de la cavité résonante est ainsi maximisé.
Alternativement, selon un mode de réalisation illustré à la figure 9C, ces convertisseurs Cj (j = 2 ...3) de longueur d’onde peuvent être déportés ou découplés des LED bleues.
Une lame d’air par exemple peut séparer les convertisseurs des LED bleues.
Les LED bleues sont de préférence des RCLED présentant une hauteur e afin d’obtenir au niveau de leur face émissive un flux lumineux directif principalement selon la direction longitudinale.
Les convertisseurs c7 (j = 2 ...3) peuvent avantageusement comprendre une cavité de conversion résonante indépendante de la cavité de résonance des RCLED.
Par exemple, ces convertisseurs c,· (J = 2 ...3) peuvent être des couches d’épaisseurs ej (j = 2 ...3) comprenant des QD, avec :
Figure imgf000032_0002
Ces couches de convertisseurs sont ainsi respectivement résonantes pour les longueurs d’onde l7·.
Une telle configuration comprenant des RCLED séparées des convertisseurs eux- mêmes résonnants permet avantageusement de simplifier la réalisation des sous- pixels rouges et verts d’un pixel de couleur d’un écran d’affichage.
En effet, les convertisseurs c2, c3 peuvent être formés par lithographies de résines photosensibles chargées en QD et déposées sur un substrat 70 en verre, indépendamment de la réalisation de la matrice de LED bleues 100M, comme illustré à la figure 10.
De façon préférée mais optionnelle, une couche 71 de miroirs de Bragg distribués DBR (acronyme anglais de « Distributed Bragg Reflectors ») peut être intercalée entre le substrat 70 en verre et les convertisseurs c2, c3. Cette couche 71 DBR est de préférence configurée pour présenter une large bande de réflexion comprenant les longueurs d’onde l2 et À3.
Elle peut être fabriquée à partir d’une alternance de couches à base de Ti02 et de Si02. On pourra par exemple se référer au document « Fabrication and characterization of Ti02/Si02 based Bragg reflectors for light trapping applications, R. S. Dubey, Results in Physics, Volume 7, 2017, Pages 2271-2276 » pour former cette couche 71 DBR.
Les convertisseurs c2, c3 formés sur le substrat 70 en verre peuvent dès lors être reportés en regard des LED bleues de la matrice 100M, afin de former les différents sous-pixels bleus, rouges et verts.
Le substrat 70 portant les convertisseurs c2, c3 ainsi alignés avec les LED bleues peut être solidarisé avec la matrice 100M reliée à l’électronique de pilotage 60, par exemple par l’intermédiaire d’un cordon de colle ou de plots de colle 80.
Comme illustré à la figure 1 1 , un écran d’affichage comprenant des pixels de couleur comprenant chacun des sous-pixels à base de RCLED à injection latérale peut ainsi être réalisé.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
En particulier, des modes de réalisation peuvent être combinés entre eux de sorte à obtenir une LED ou un système optoélectronique.
Par exemple, une LED ou une RCLED à structure en mésa, à base de GaN, à injection latérale et comprenant un convertisseur déporté peut être formée.
Une LED ou une RCLED à structure en mésa, à base de GaN, à injection latérale et comprenant un convertisseur intégré peut être formée.
Une LED ou une RCLED sans mésa, à base de GaN, à injection latérale et comprenant un convertisseur intégré peut être formée.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Diode électroluminescente (100) configurée pour émettre un flux lumineux de longueur d’onde Xt (i = 1 ...3), comprenant une première région (1 ) présentant l’une parmi une conductivité électrique de type P et une conductivité électrique de type N, formée dans une première couche (10) s’étendant dans un plan basal, une deuxième région (2) formée dans une deuxième couche (20), ladite deuxième région (2) formant un empilement avec la première région (1 ) selon une direction normale au plan basal, dite direction longitudinale, et comprenant au moins un puit quantique s’étendant parallèlement audit plan basal, et une troisième région (3) présentant l’autre parmi une conductivité électrique de type P et une conductivité électrique de type N, caractérisée en ce que la troisième région (3) s’étend selon la direction longitudinale en bordure et au contact des première et deuxième régions (1 , 2) au travers des première et deuxième couches (10, 20).
2) Diode électroluminescente selon la revendication précédente présentant une structure en mésa comprenant les première et deuxième régions (1 , 2) et dans laquelle la troisième région forme un bord de ladite structure en mésa, ledit bord présentant une surface libre sensiblement normale au plan basal.
3) Diode électroluminescente selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l’empilement forme une cavité résonante selon la direction longitudinale pour un flux lumineux de longueur d’onde Xt = X1 ; ladite cavité présentant une hauteur e selon la direction longitudinale telle que :
Figure imgf000034_0001
Où
Figure imgf000034_0002
est un nombre entier, X1 la longueur d’onde et neff:1 est un premier indice effectif de réfraction.
4) Diode électroluminescente selon la revendication précédente dans laquelle l’au moins un puit quantique est situé à une hauteur el°p selon la direction longitudinale par rapport à une extrémité de la cavité résonante située à l’opposé de la première région (1 ), telle que :
Xt
e °v = (2 M[ + 1)
4 n, eff, 1
Où M[ est un nombre entier différent de ou égal à Mt. 5) Diode électroluminescente selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre un convertisseur j (j = 2 ...3) de longueur d’onde disposé selon un axe longitudinal de la diode et configuré pour produire un flux lumineux de longueur d’onde Xi = Xj (j = 2 ...3) à partir d’un flux lumineux émis de longueur d’onde Xt = X .
6) Diode électroluminescente selon la revendication précédente dans laquelle l’empilement comprend le convertisseur c7 (/ = 2 ...3) de longueur d’onde et forme une cavité résonante selon la direction longitudinale pour le flux lumineux de longueur d’onde X et pour le flux lumineux de longueur d’onde Xj (j = 2 ...3), ladite cavité présentant une hauteur ? selon la direction longitudinale telle que :
X i X
ë = M1 = M J
2 n Ί, L
eff 1 2 n effj
Où M1 Mj sont des nombres entiers avec Mj différent de Mt ou égal à M1 Xx et Xj 0 = 2 ... 3) sont respectivement les longueurs d’onde dites d’émission et de conversion, et neffl, neffj sont respectivement un premier et un j-ième indice effectif de réfraction.
7) Diode électroluminescente selon la revendication précédente dans laquelle le convertisseur c,· (j = 2 ...3) de longueur d’onde présente un centre situé à une hauteur et°v j = 2 ...3) selon la direction longitudinale par rapport à une extrémité supérieure de la cavité résonante telle que :
X
e- op = (2 Mj + 1) H
4 n eff.j
Où Mj est un nombre entier, Xj la longueur d’onde et neff est un j-ième indice effectif de réfraction.
8) Diode électroluminescente selon la revendication 5 dans laquelle le convertisseur Cj (J = 2 ...3) de longueur d’onde comprend une cavité de conversion résonante.
9) Diode électroluminescente selon la revendication précédente dans laquelle la cavité de conversion résonante présente une hauteur e; (/ = 2 ...3) selon la direction longitudinale telle que :
j = Mj
neff,j
Où Mj est un nombre entier, Xj la longueur d’onde et neff j est un j-ième indice effectif de réfraction. 10) Diode électroluminescente selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans laquelle la cavité de conversion résonante est bordée au moins en partie par des miroirs de Bragg s’étendant parallèlement au plan basal et configurés pour être au moins partiellement réfléchissants pour un flux lumineux de longueur d’onde Xt = Xj (j = 2 ...3) et transparents pour un flux lumineux de longueur d’onde Xt = X .
1 1 ) Diode électroluminescente selon l’une des revendications 5 à 10 dans laquelle le convertisseur c7 ( = 2 ...3) de longueur d’onde comprend au moins l’un parmi des boites quantiques et des puits quantiques bidimensionnels.
12) Diode électroluminescente selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre un premier contact métallique (1 1 ) formé sur la première région et un deuxième contact métallique (12) formé sur la troisième région et dans lequel les premier et deuxième contacts (1 1 , 12) sont portés sur une même face de la diode.
13) Système optoélectronique comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes (100a, 100b) selon l’une quelconque des revendications précédentes, les diodes (100a, 100b) de ladite pluralité étant juxtaposées entre elles dans le plan basal au niveau de leurs troisièmes régions (3a, 3b) respectives.
14) Système selon la revendication précédente comprenant en outre une électronique de pilotage (60) des diodes contactée au niveau d’une face de la pluralité de diodes portant une pluralité de premiers contacts (1 1 , 1 1a, 1 1 b) et de deuxièmes contacts (12, 12a, 12b) formés respectivement sur les première et troisième régions de chacune des diodes de ladite pluralité de diodes.
15) Système selon l’une quelconque des deux revendications précédentes comprenant en outre une pluralité de convertisseurs cj (j = 2 ...3) de longueur d’onde configurés pour produire des flux lumineux de longueur d’onde Xt = Xj (j = 2 ... 3) à partir d’un flux lumineux émis de longueur d’onde Xi = X1, chacun des convertisseurs de ladite pluralité de convertisseurs étant associé à une diode de la pluralité de diodes, de sorte à former des pixels de couleur.
16) Procédé de fabrication d’au moins une diode électroluminescente configurée pour émettre un flux lumineux de longueur d’onde Xt (i = 1 ...3) comprenant les étapes suivantes :
■ Former un empilement selon une direction, dite direction longitudinale, comprenant : o une couche tampon (40) de GaN déposée sur un premier substrat (50) s’étendant dans un plan basal normal à la direction longitudinale,
o une couche de GaN dopée N (30) déposée sur la première couche tampon,
o une couche à puits quantiques (20) non intentionnellement dopée comprenant au moins un puit quantique à base d’InGaN s’étendant parallèlement au plan basal,
o une couche de GaN dopée P (10) déposée sur la couche à puits quantiques,
Définir par lithographie sur une face exposée de la couche de GaN dopée P au moins un motif comprenant une région centrale et une bordure entourant cette région centrale,
Implanter du silicium au niveau de chaque bordure depuis la face exposée sur une profondeur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs de la couche de GaN dopée P et de la couche à puits quantiques, de sorte à délimiter dans chaque région centrale une première région de type P au niveau de la couche de GaN dopée P et une deuxième région au niveau de la couche à puits quantiques, et de sorte à former une troisième région de type N au niveau du matériau implanté,
Déposer un premier contact métallique (11 ) sur la première région (1 ) et un deuxième contact métallique (12) sur la troisième région (3) au niveau de la face exposée, de sorte à former au moins une diode électroluminescente configurée pour émettre un flux lumineux de longueur
Figure imgf000037_0001
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