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EP4264682A1 - Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial - Google Patents

Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial

Info

Publication number
EP4264682A1
EP4264682A1 EP21823876.4A EP21823876A EP4264682A1 EP 4264682 A1 EP4264682 A1 EP 4264682A1 EP 21823876 A EP21823876 A EP 21823876A EP 4264682 A1 EP4264682 A1 EP 4264682A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
emitting diodes
wavelength
wavelengths
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21823876.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olga Kryliouk
Mehdi DAANOUNE
Jérôme NAPIERALA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aledia
Original Assignee
Aledia
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aledia filed Critical Aledia
Publication of EP4264682A1 publication Critical patent/EP4264682A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01L33/105—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector with a resonant cavity structure
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    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
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    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • TITLE Optoelectronic device with three-dimensional light-emitting diodes of the axial type
  • the present application relates to an optoelectronic device, in particular a display screen or an image projection device, comprising light-emitting diodes based on semiconductor materials, and their manufacturing methods.
  • a light-emitting diode based on semiconductor materials generally comprises an active zone which is the region of the light-emitting diode from which the majority of the electromagnetic radiation supplied by the light-emitting diode is emitted.
  • the structure and composition of the active area are adapted to obtain electromagnetic radiation having the desired properties. In particular, it is generally desired to obtain electromagnetic radiation with a narrow spectrum, ideally substantially monochromatic.
  • Examples of three-dimensional semiconductor elements are microwires or nanowires comprising a semiconductor material mainly comprising at least one element from group III and one element from group V (for example gallium nitride GaN), subsequently called III-V compound, or comprising mainly at least one element from group II and one element from group VI (eg zinc oxide ZnO), hereinafter called compound II-VI.
  • a semiconductor material mainly comprising at least one element from group III and one element from group V (for example gallium nitride GaN), subsequently called III-V compound, or comprising mainly at least one element from group II and one element from group VI (eg zinc oxide ZnO), hereinafter called compound II-VI.
  • Such devices are, for example, described in French patent applications FR 2 995 729 and FR 2 997 558.
  • a single quantum well is produced by interposing, between two layers of a first semiconductor material, for example a III-V compound, in particular GaN, respectively doped with P and N type, a layer of a second semiconductor material, for example an alloy of the III-V compound and of a third element, in particular InGaN, whose forbidden band is different from the first semiconductor material.
  • a multiple quantum well structure comprises a stack of semiconductor layers forming an alternation of quantum wells and barrier layers.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation emitted by the active zone of the optoelectronic device depends in particular on the forbidden band of the second material forming the quantum well.
  • the wavelength of the radiation emitted depends in particular on the atomic percentage of the third element, for example indium. In particular, the higher the atomic percentage of indium, the higher the wavelength.
  • a disadvantage is that when the atomic percentage of indium exceeds a threshold, differences in lattice parameters are observed between the layers of GaN and InGaN from the quantum well that can lead to the formation of non-radiative defects in the active area, such as dislocations and/or alloy separation effects, which results in a significant decrease in the quantum efficiency of the active area of the device optoelectronics.
  • the production of light-emitting diodes in III-V or II-VI compounds emitting in the red can therefore be difficult.
  • an object of an embodiment is to overcome at least in part the drawbacks of the optoelectronic devices with light-emitting diodes described above.
  • each light-emitting diode comprises a stack of layers of semiconductor materials based on III-V or II-VI compounds.
  • the optoelectronic device comprises light-emitting diodes configured to emit light radiation in the red without using photoluminescent materials.
  • Another object of an embodiment is the formation of three-dimensional light-emitting diodes of the axial type based on III-V or II-VI compounds, the active areas of which have an emission spectrum having the desired properties, in particular including a narrow band around the target transmit frequency.
  • One embodiment provides an optoelectronic device comprising a matrix of axial light-emitting diodes, the light-emitting diodes each comprising an active zone configured to emit electromagnetic radiation, the emission spectrum of which comprises a maximum at a first wavelength, the matrix forming a photonic crystal configured to form a resonance peak amplifying the intensity of said electromagnetic radiation at at least a second wavelength different from the first wavelength.
  • the device further comprises a first optical filter covering at least a first part of said matrix of diodes emitters, the first optical filter being configured to block said amplified radiation over a first range of wavelengths including the first wavelength and to pass said amplified radiation over a second range of wavelengths including the second wavelength 'wave.
  • the emission spectrum of the active zone has energy at the second wavelength.
  • the photonic crystal is configured to form a resonance peak amplifying the intensity of said electromagnetic radiation at at least a third wavelength different from the first and second wavelengths.
  • the emission spectrum of the active zone has energy at the third wavelength.
  • the device further comprises a second optical filter covering at least a second part of said matrix of light-emitting diodes, the second optical filter being configured to block said amplified radiation over a third range of wavelengths. wave comprising the first and second wavelengths and passing said amplified radiation over a fourth range of wavelengths comprising the third wavelength.
  • the photonic crystal is configured to form a resonance peak amplifying the intensity of said electromagnetic radiation at at least a fourth wavelength different from the first, second and third wavelengths.
  • the emission spectrum of the active zone has energy at the fourth wavelength.
  • the device further comprises a third optical filter covering at least a third part of said matrix of light-emitting diodes, the third optical filter being configured to block said amplified radiation over a fifth range of wavelengths. wave comprising the first, second, and third wavelengths and for passing said amplified radiation over a sixth range of wavelengths comprising the fourth wavelength.
  • the device comprises a support on which the light-emitting diodes rest, each light-emitting diode comprising a stack of a first semiconductor portion resting on the support, of the active zone in contact with the first semiconductor portion and a second semiconductor portion in contact with the active area.
  • the device comprises a reflective layer between the support and the first semiconductor portions of the light-emitting diodes.
  • the reflective layer is made of metal.
  • the second semiconductor portions of the light-emitting diodes are covered with a conductive layer and at least partially transparent to the radiation emitted by the light-emitting diodes.
  • the light-emitting diodes are separated by an electrically insulating material.
  • One embodiment also provides a method for manufacturing an optoelectronic device comprising a matrix of axial light-emitting diodes, the light-emitting diodes each comprising an active zone configured to emit electromagnetic radiation, the emission spectrum of which comprises a maximum at a first wavelength, the matrix forming a photonic crystal configured to form a resonance peak amplifying the intensity of the electromagnetic radiation by the light-emitting diodes at at least a second wavelength different from the first wavelength.
  • the formation of the light-emitting diodes of the matrix comprises the following steps:
  • the method comprises a step of removing the substrate.
  • Figure 1 is a sectional view, partial and schematic, of an embodiment of an optoelectronic device comprising light-emitting diodes;
  • Figure 2 is a perspective view, partial and schematic, of the optoelectronic device shown in Figure 1;
  • FIG. 3 schematically represents an example of arrangement of the light-emitting diodes of the optoelectronic device represented in FIG. 1;
  • FIG. 4 schematically represents another example of arrangement of the light-emitting diodes of the optoelectronic device represented in FIG. 1;
  • FIG. 5 schematically represents curves of evolution of light intensities of the radiation emitted by the optoelectronic device of FIG. 1 illustrating a configuration at one resonance;
  • FIG. 6 schematically represents light intensity evolution curves illustrating a configuration with two resonances
  • FIG. 7 schematically represents curves of evolution of light intensities illustrating a configuration with three resonances
  • FIG. 8 illustrates a method for selecting the radiation emitted in a configuration with two resonances
  • FIG. 9 illustrates a method for selecting the radiation emitted in a configuration with three resonances
  • FIG. 10A illustrates a step of an embodiment of a method of manufacturing the optoelectronic device represented in FIG. 1;
  • FIG. 10B illustrates another step in the manufacturing process
  • FIG. 10C illustrates another step in the manufacturing process
  • FIG. 10D illustrates another step in the manufacturing process
  • FIG. 10E illustrates another step in the manufacturing process
  • FIG. 10F illustrates another step in the manufacturing process
  • FIG. 10G illustrates another step in the manufacturing process
  • FIG. 11 illustrates a step of another embodiment of a method for manufacturing the optoelectronic device represented in FIG. 1;
  • FIG. 12 is a grayscale map of the light intensity emitted at a first wavelength by a light-emitting diode of a photonic crystal of the optoelectronic device as a function of the pitch of the photonic crystal and the diameter of the light emitting diode ;
  • FIG. 13 is a grayscale map of the light intensity emitted at a second wavelength by a light-emitting diode of a photonic crystal of the optoelectronic device as a function of the pitch of the photonic crystal and the diameter of the light emitting diode ;
  • FIG. 14 is a map in grayscale of the light intensity emitted at a third wavelength by a light-emitting diode of a photonic crystal of the optoelectronic device as a function of the pitch of the photonic crystal and the diameter of the light emitting diode ;
  • FIG. 15 represents a curve of evolution of the luminous intensity of the light-emitting diodes in function of the wavelength measured during a first test.
  • FIG. 16 represents a curve of evolution of the light intensity of the light-emitting diodes as a function of the wavelength measured during a second test.
  • the expressions “about”, “approximately”, “substantially”, and “of the order of” mean to within 10%, preferably within 5%.
  • the terms “insulator” and “conductor” mean respectively “electrically insulating” and “electrically conducting”.
  • the internal transmittance of a layer corresponds to the ratio between the intensity of the radiation leaving the layer and the intensity of the radiation entering the layer.
  • the absorption of the layer is equal to the difference between 1 and the internal transmittance.
  • a layer is said to be transparent to radiation when the absorption of radiation through the layer is less than 60%.
  • a layer is said to be radiation-absorbent when the absorption of radiation in the layer is greater than 60%.
  • a radiation presents a spectrum of general "bell" shape, for example of Gaussian shape, having a maximum, one calls wavelength of the radiation, or central or main wavelength of the radiation, the wavelength at which the maximum of the spectrum is reached.
  • the refractive index of a material corresponds to the refractive index of the material for the range of wavelengths of the radiation emitted by the optoelectronic device.
  • the refractive index is considered to be substantially constant over the range of wavelengths of the useful radiation, for example equal to the average of the index of refraction over the range of wavelengths of the radiation emitted by the optoelectronic device
  • axial light-emitting diode is meant a three-dimensional structure of elongated shape, for example cylindrical, in a preferred direction, of which at least two dimensions, called minor dimensions, are between 5 nm and 2.5 ⁇ m, preferably between 50 nm and 2.5 ⁇ m.
  • the third dimension, called major dimension is greater than or equal to 1 times, preferably greater than or equal to 5 times and even more preferably greater than or equal to 10 times, the largest of the minor dimensions.
  • the minor dimensions can be less than or equal to approximately 1 ⁇ m, preferably between 100 nm and 1 ⁇ m, more preferably between 100 nm and 800 nm.
  • the height of each light-emitting diode can be greater than or equal to 500 nm, preferably between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • Figures 1 and 2 are respectively a side sectional view and a perspective view, partial and schematic, of an embodiment of an optoelectronic device 10 with light-emitting diodes.
  • the optoelectronic device 10 comprises, from bottom to top in FIG. 1:
  • each axial light-emitting diode comprising, from bottom to top in FIG. 1, a lower semiconductor portion 18, not shown in FIG. 2, in contact with electrode layer 14 , an active area 20, not shown in FIG. 2, in contact with the lower semiconductor portion 18, and an upper semiconductor portion 22, not shown in FIG. 2, in contact with the active area 20;
  • Each light-emitting diode LED is said to be axial insofar as the active area 20 is in the extension of the lower semiconductor portion 18 and the upper semiconductor portion 22 is in the extension of the active area 20, the assembly comprising the portion lower semiconductor 18, the active zone 20, and the upper semiconductor portion 22 extending along an axis A, called the axis of the axial light-emitting diode.
  • the axes A of the light-emitting diodes LED are parallel and orthogonal to the face 16.
  • the support 12 can correspond to an electronic circuit.
  • the electrode layer 14 can be metallic, for example silver, copper or zinc.
  • the thickness of electrode layer 14 is sufficient for electrode layer 14 to form a mirror.
  • the electrode layer 14 has a thickness greater than 100 nm.
  • Electrode layer 14 may completely cover support 12.
  • electrode layer 14 may be divided into separate portions to allow separate driving of groups of light emitting diodes from the array of light emitting diodes.
  • face 16 may be reflective.
  • the electrode layer 14 can then present a specular reflection.
  • the electrode layer 14 can present a Lambertian reflection. To obtain a surface having a Lambertian reflection, one possibility is to create irregularities on a conductive surface.
  • a texturing of the surface of the base can be carried out before the deposition of the metal layer so that the face 16 of the metal layer, once deposited, has reliefs.
  • the second electrode layer 26 is conductive and transparent.
  • the electrode layer 26 is a layer of transparent and conductive oxide (TCO), such as indium tin oxide (or ITO, acronym for Indium Tin Oxide), zinc oxide doped or not with aluminum or gallium, or graphene.
  • TCO transparent and conductive oxide
  • ITO Indium Tin Oxide
  • the electrode layer 26 has a thickness comprised between 5 nm and 200 nm, preferably between 20 nm and 50 nm.
  • the insulating layer 24 can be made of an inorganic material, for example silicon oxide or silicon nitride.
  • the insulating layer 24 can be made of an organic material, for example an insulating polymer based on benzocyclobutene (BCB).
  • Coating 28 may comprise an optical filter, or optical filters arranged next to each other, as will be described in more detail below.
  • all light emitting diodes LED have the same height.
  • the thickness of the insulating layer 24 is for example chosen equal to the height of the light-emitting diodes LED in such a way that the upper face of the insulating layer 24 is coplanar with the upper faces of the light-emitting diodes.
  • the lower 18 and upper 22 semiconductor portions and the active areas 20 are, at least in part, made of a semiconductor material.
  • the semiconductor material is chosen from the group comprising III-V compounds, II-VI compounds, and group IV semiconductors or compounds.
  • group III elements include gallium (Ga), indium (In) or aluminum (Al).
  • group IV elements include nitrogen (N), phosphorus (P), or arsenic (As).
  • III-N compounds are GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN or AlInGaN.
  • group II elements include group IIA elements including beryllium (Be) and magnesium (Mg) and group IIB elements including zinc (Zn), cadmium (Cd) and mercury ( Hg).
  • group VI elements include group VIA elements, including oxygen (O) and tellurium (Te).
  • compounds II-VI are ZnO, ZnMgO, CdZnO, CdZnMgO, CdHgTe, CdTe or HgTe.
  • the elements in the compound III-V or II-VI can be combined with different mole fractions.
  • Group IV semiconductor materials are silicon (Si), carbon (G), germanium (Ge), silicon carbide alloys (SiC), silicon-germanium alloys (SiGe) or carbide alloys of germanium (GeC).
  • the lower 18 and upper 22 semiconductor portions may include a dopant.
  • the dopant can be selected from the group comprising a group II P-type dopant, for example, magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd ) or mercury (Hg), a group IV P-type dopant, e.g. carbon (G) or a group IV N-type dopant, e.g. silicon (Si), germanium (Ge), selenium (Se), sulfur (S), terbium (Tb) or tin (Sn).
  • the lower semiconductor portion 18 is made of P-doped GaN and the upper semiconductor portion 22 is made of N-doped GaN.
  • the active area 20 may include containment means.
  • the active zone 20 can comprise a single quantum well. It then comprises a semiconductor material different from the semiconductor material forming the lower 18 and upper 22 semiconductor portions. and having a band gap lower than that of the material forming the lower 18 and upper 22 semiconductor portions.
  • the active zone 20 can comprise multiple quantum wells. It then comprises a stack of semiconductor layers forming an alternation of quantum wells and barrier layers.
  • each light-emitting diode LED has the shape of a cylinder with a circular base with an axis A.
  • each light-emitting diode LED can have the shape of a cylinder with an axis A with a polygonal base. , for example square, rectangular or hexagonal.
  • each light-emitting diode LED has the shape of a cylinder with a hexagonal base.
  • the height H of the light-emitting diode LED is called the sum of the height hl of the lower semiconductor portion 18, of the height h2 of the active zone 20, of the height h3 of the upper semiconductor portion 22, of the thickness the electrode layer 26, and the thickness of the coating 28.
  • the light-emitting diodes LED are arranged to form a photonic crystal. Twelve light-emitting diodes LED are represented by way of example in FIG. 2. In practice, the matrix 15 can comprise between 7 and 100,000 light-emitting diodes LED.
  • the light-emitting diodes LED of the matrix 15 are arranged in rows and columns (3 rows and 4 columns being represented by way of example in FIG. 2).
  • the step 'a' of the matrix 15 is the distance between the axis of a light-emitting diode LED and the axis of a close light-emitting diode LED, of the same line or of an adjacent line.
  • the pitch a is substantially constant. More precisely, the step a of the matrix is chosen in such a way that the matrix 15 forms a photonic crystal.
  • the photonic crystal formed is for example a 2D photonic crystal.
  • the properties of the photonic crystal formed by the matrix 15 are advantageously chosen so that the matrix 15 of the light-emitting diodes forms a resonant cavity in the plane perpendicular to the axis A and a resonant cavity along the axis A in particular to obtain a coupling and increase the selection effect.
  • This allows the intensity of the radiation emitted by the set of light-emitting diodes LED of the matrix 15 by the emission face 30 to be amplified for certain wavelengths compared to a set of light-emitting diodes LED which would not form a photonic crystal.
  • FIGS. 3 and 4 schematically represent examples of arrangements of the light-emitting diodes LED of the matrix 15.
  • FIG. 3 illustrates a so-called square mesh arrangement
  • FIG. 4 illustrates a so-called hexagonal mesh arrangement.
  • Figures 3 and 4 each show three rows of four light emitting diodes LED.
  • a light-emitting diode LED is located at each intersection of a row and a column, the rows being perpendicular to the columns.
  • the diodes on a line are offset by half the pitch a with respect to the light-emitting diodes on the preceding line and the following line.
  • each light emitting diode LED has a circular cross section of diameter D in a plane parallel to the face 16.
  • the diameter D can be between 0.05 ⁇ m and 2 ⁇ m.
  • the pitch a can be between 0.1 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • the height H of the light-emitting diode LED is chosen so that each light-emitting diode LED forms a resonant cavity along the axis A at the desired central wavelength X of the radiation emitted by the optoelectronic device 10.
  • the height H is chosen substantially proportional to k* (X/2) *nef f , neff being the effective refractive index of the light-emitting diode in the optical mode considered and k being a positive integer.
  • the effective refractive index is for example defined in the work “Semiconductor Optoelectronic Devices: Introduction to Physics and Simulation” by Joachim Piprek.
  • the height H can nevertheless be the same for all the light-emitting diodes. It can then be determined from the theoretical heights which would make it possible to obtain resonant cavities for the light-emitting diodes of each group, and is for example equal to the average of these theoretical heights.
  • the properties of the photonic crystal, formed by the matrix 15 of light-emitting diodes LED are selected to increase the light intensity emitted by the matrix 15 of light-emitting diodes LED at at least one wavelength target.
  • the active zone 20 of each light-emitting diode LED has an emission spectrum whose maximum is at a wavelength different from the target wavelength. However, the emission spectrum of the active area 20 overlaps the target wavelength, i.e. the energy of the emission spectrum of the active area 20 at the target wavelength n' is not zero.
  • FIG. 5 schematically represents, as a function of the wavelength ⁇ , an evolution curve C1 (solid line) of the light intensity I emitted by the active zones 20 of the light-emitting diodes LED considered separately, an evolution curve C2 (in dashed lines) of the amplification factor due to the coupling with the photonic crystal and an evolution curve C3 (in dotted lines) of the light intensity emitted by the matrix 15 of light-emitting diodes.
  • Curve C1 has a general "bell" shape and has a peak at a central wavelength ⁇ c .
  • Curve C2 corresponds to a narrow resonance peak centered on a target wavelength ⁇ T1 .
  • Curve C3 includes a peak S at the central wavelength ⁇ c and a peak P 1 at the target wavelength ⁇ T1 .
  • the bandwidth of the curve C3 at mid-height for the peak S can be greater than the bandwidth of the curve C3 at mid-height for the peak Pi, for example by a factor of 2, in particular by a factor varying from 8 to 15, for example equal to 10.
  • obtaining an optoelectronic device 10 emitting narrow-spectrum light radiation at the target wavelength ⁇ T1 can be obtained by filtering the radiation emitted by the matrix 15 of light-emitting diodes LED to block wavelengths below the target wavelength ⁇ T1 .
  • This can be obtained by providing an optical filter in the coating 28.
  • the blocked part of the spectrum of the radiation emitted by the matrix 15 of light-emitting diodes is hatched.
  • the spectrum of the radiation emitted by the face emission 30 of the optoelectronic device 10 then mainly comprises the peak P 1 .
  • an active zone 20 emitting radiation of maximum intensity at a central wavelength ⁇ c less than the target wavelength ⁇ T1 makes it possible to use an active zone 20 with improved quantum efficiency. This also makes it possible to obtain radiation at the target wavelength ⁇ T1 by using an active zone 20, emitting radiation of maximum intensity at the central wavelength ⁇ c , which is easier to manufacture, without having to use photoluminescent materials. Furthermore, the height h1 of the lower semiconductor portion 18 and the height h2 of the upper semiconductor portion 22 are advantageously determined so that the light intensity of the peak at the target wavelength ⁇ T1 is maximum.
  • FIG. 6 is a figure similar to FIG. 5, except that the evolution curve C2 of the amplification factor due to the photonic crystal comprises two peaks narrow resonance waves centered respectively on the target wavelengths ⁇ T1 and ⁇ T2 .
  • the curve C3 then comprises the peak S at the central wavelength ⁇ c , the peak P 1 at the target wavelength ⁇ T1 , and a peak P2 at the target wavelength ⁇ T2 .
  • FIG. 7 is a figure similar to FIG. 5 except that the evolution curve C2 of the amplification factor due to the photonic crystal comprises three narrow resonance peaks centered respectively on the target wavelengths ⁇ T1 , ⁇ T2 , and ⁇ T3 .
  • Curve C3 includes peak S at central wavelength ⁇ c , peak P 1 at target wavelength ⁇ T1 , peak P 2 at target wavelength ⁇ T2 and peak P 3 at the target wavelength ⁇ T3 , represented in FIG. 7 substantially equal to the central wavelength ⁇ c .
  • FIGS. 8 and 9 illustrate the principle of filtering the radiation emitted by the matrix 15 of light-emitting diodes for the configurations with two resonance peaks and three resonance peaks respectively.
  • obtaining an optoelectronic device emitting light radiation with a narrow spectrum centered on the target wavelength ⁇ T1 can be obtained by blocking the unwanted part of the spectrum d emission of light-emitting diodes.
  • the blocked part of the spectrum of the radiation emitted by the matrix 15 of light-emitting diodes is hatched and only one of the resonance peaks is retained.
  • the filtering of the radiation emitted by the matrix of light-emitting diodes can be achieved by any means.
  • the filtering is obtained by covering the light-emitting diodes with a layer of a colored material.
  • the filtering is obtained by covering the light-emitting diodes with an interference filter.
  • the light-emitting diodes of the matrix of light-emitting diodes can be divided into first and second groups of light-emitting diodes.
  • a first filtering is implemented for the light-emitting diodes of the first group to retain only the first resonance peak and a second filtering is implemented for the light-emitting diodes of the second group to retain only the second resonance peak.
  • An optoelectronic device configured for the emission of a first radiation at a first target wavelength and of a second radiation at a second target wavelength can thus be obtained while the active areas of the light-emitting diodes and the matrices light-emitting diodes of the first and second groups have the same structure.
  • the light-emitting diodes in an emission configuration comprising at least three resonance peaks, can be divided into first, second and third groups of light-emitting diodes.
  • a first filtering is implemented for the light-emitting diodes of the first group to keep only the first resonance peak.
  • a second filtering is implemented for the light-emitting diodes of the second group to retain only the second resonance peak.
  • a third filtering is implemented for the light-emitting diodes of the third group to retain only the third resonance peak.
  • An optoelectronic device configured to emit first radiation at a first target wavelength, second radiation at a second target wavelength, and third radiation at a third target wavelength can thus be obtained while the active areas of the light-emitting diodes and the matrices of the light-emitting diodes of the first, second, and third groups have the same structure. This notably allows the production of display sub-pixels for a display pixel of a screen for displaying a color image.
  • the radiation after filtering of the first group of light-emitting diodes corresponds to blue light, that is to say radiation whose wavelength is in the range from 430 nm to 480 nm. n.
  • the radiation after filtering of the second group of light-emitting diodes corresponds to green light, that is to say radiation whose wavelength is in the range from 510 nm to 570 nm.
  • the radiation after filtering of the third group of light-emitting diodes corresponds to red light, that is to say radiation whose wavelength is in the range from 600 nm to 720 nm.
  • active areas 20 having the same structure and the same composition can be used to manufacture optoelectronic devices capable of emitting radiation with narrow spectra at different target wavelengths.
  • design of a new optoelectronic device can be made with the same structure, so that the initial steps of the manufacturing method at least until the manufacturing of the light-emitting diodes can be common for the manufacturing of different optoelectronic devices.
  • FIGS. 10A to 10G are partial and schematic cross-sectional views of the structures obtained at successive stages of an embodiment of a method for manufacturing the optoelectronic device 10 shown in FIG.
  • FIG. 10A illustrates the structure obtained after the formation steps described below.
  • a seed layer 42 is formed on a substrate 40 .
  • Light-emitting diodes LED are then formed from the seed layer 42 . More precisely, the light-emitting diodes LED are formed in such a way that the upper semiconductor portions 22 are in contact with the seed layer 42 .
  • the seed layer 42 is made of a material which promotes the growth of the upper semiconductor portions 22 .
  • the active area 20 is formed on the upper semiconductor portion 22 and the lower semiconductor portion 18 is formed on the active area 20 .
  • the light-emitting diodes LED are located so as to form the matrix 15, that is to say to form rows and columns with the desired pitch of the matrix 15 . Only one line is partially shown in Figures 10A to 10G.
  • a mask can be formed before the formation of the light-emitting diodes on the seed layer 42 so as to uncover only the parts of the seed layer 42 at the locations where the light-emitting diodes will be located.
  • the seed layer 42 can be etched, before the formation of the light-emitting diodes, so as to form pads located at the locations where the light-emitting diodes will be formed.
  • the process for growing light-emitting diodes LEDs can be a process of the type or a combination of processes of the chemical vapor phase deposition (CVD, English acronym for Chemical Vapor Deposition) or chemical vapor phase deposition with organometallic (MOCVD, acronym for Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), also known as metal-organic vapor phase epitaxy (or MOVPE, acronym for Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy).
  • MOVPE metal-organic vapor phase epitaxy
  • processes such as Molecular Beam Epitaxy (MBE), gas-source MBE (GSMBE), organometallic MBE (MOMBE), plasma-assisted MBE (PAMBE), Atomic Layer Epitaxy (ALE) or Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) can be used.
  • electrochemical processes can be used, for example chemical bath deposition (CBD, acronym for Chemical Bath Deposition), hydrothermal processes, liquid aerosol pyrolysis or electrodeposition.
  • CBD chemical
  • the growth conditions of the light-emitting diodes LED are such that all the light-emitting diodes of the matrix 15 are formed at substantially the same speed.
  • the heights of the lower 18 and upper 22 semiconductor portions and the height of the active zone 20 are substantially identical for all the light-emitting diodes of the matrix 15.
  • the height of the upper semiconductor portion 22 is greater than the desired value h3. Indeed, it can be difficult to precisely control the height of the upper semiconductor portion 22 in particular because of the start of growth of the portion. top semiconductor 22 from seed layer 42 . Additionally, forming the semiconductor material directly on the seed layer 42 can cause crystal defects in the semiconductor material just above the seed layer 42 . One may therefore want to remove part of the upper semiconductor portion 22 to obtain a constant height before forming the active area 20 .
  • FIG. 10B illustrates the structure obtained after the formation of the layer 24 of filling material, for example an electrically insulating material, for example silicon oxide.
  • Layer 24 is for example formed by depositing a layer of filler material on the structure represented in FIG. 10A, the layer having a thickness greater than the height of the light-emitting diodes LED. The layer of filling material is then partially removed so as to be planarized to uncover the upper faces of the lower semiconductor portions 18 . The upper face of layer 24 is then substantially coplanar with the upper face of each lower semiconductor portion 18 .
  • the method can comprise an etching step during which the lower semiconductor portions 18 are partially etched.
  • the filling material is chosen in such a way that the photonic crystal formed by the matrix 15 has the desired properties, that is to say that it selectively improves in wavelength the intensity of the radiation emitted by LED light-emitting diodes.
  • FIG. 10C illustrates the structure obtained after depositing the electrode layer 14 on the structure obtained in the previous step.
  • FIG. 10D illustrates the structure obtained after fixing layer 14 to support 12, for example by metal-metal bonding, by thermocompression or by brazing with the use of a eutectic on the side of support 12.
  • FIG. 10E illustrates the structure obtained after the removal of the substrate 40 and of the seed layer 42.
  • the layer 24 and the upper semiconductor portions 22 are etched in such a way that the height of each upper semiconductor portion 22 has the desired h3 value. This step makes it possible, advantageously, to control exactly the height of the light-emitting diodes and to remove the parts of the upper semiconductor portions 22 which may have crystalline defects.
  • FIG. 10F illustrates the structure obtained after deposition of electrode layer 26.
  • FIG. 10G illustrates the structure obtained after the formation of at least one optical filter on all or part of the structure represented in FIG. 10E.
  • first, second and third optical filters F R , F G , F B have been shown, placed respectively on first, second and third groups of LED light-emitting diodes.
  • FIG. 11 illustrates a variant of the method for manufacturing the optoelectronic device represented in FIG. 1, in which a step of partial etching of the free end of each upper semiconductor portion 22 of the light-emitting diodes LED is implemented before the formation of the electrode layer 26.
  • the partial etching step may include the formation of inclined flanks 44 at the free end of the upper semiconductor portions 22. This makes it possible to slightly modify the properties of the photonic crystal. This therefore makes it possible to finely modify the position of the resonance peaks of the amplification due to the photonic crystal.
  • the lower semiconductor portion 18 was made of p-type doped GaN.
  • the upper semiconductor portion 22 was made of n-type doped GaN.
  • upper 18 and 22 was between 2.4 and 2.5.
  • the active area 20 corresponded to a layer of InGaN.
  • the height h2 of the active zone 20 was equal to 40 nm.
  • Electrode layer 14 was aluminum.
  • the insulating layer 24 was made of BGB-based polymer.
  • the refractive index of insulating layer 24 was between 1.45 and 1.56.
  • a specular reflection on face 16 was considered.
  • the height of the lower 18 and upper 22 semiconductor portions is not a determining parameter insofar as this does not substantially modify the position of the resonance peaks, even if this has an impact on the intensity of these resonance peaks.
  • Figures 12, 13, and 14 are maps in gray levels of the light intensity of the radiation emitted in a direction inclined by 5 degrees with respect to a direction orthogonal to the emission face 30 respectively to a first , second, and third wavelength of the array 15 of light-emitting diodes LED as a function of the pitch 'a' of the photonic crystal and the diameter 'D' of each light-emitting diode.
  • the first wavelength was 450 nm (blue color)
  • the second wavelength was 530 nm (green color)
  • the third wavelength was 630 nm (red color).
  • Each of the gray level maps comprises lighter areas which correspond to resonance peaks. Such areas with resonance peaks are indicated, schematically, by contours B in solid lines in FIG. 12, by contours G in dotted lines in FIG. 13 and by contours R in dashed lines in FIG. 14.
  • the contours B of FIG. 12 have been superimposed on the contours G.
  • the contours B of figure 12 and the contours G of figure 13 have been superimposed on the contours R.
  • the emission spectrum of the matrix 15 of light-emitting diodes LED obtained without filtering, has at least one resonance peak at the wavelength of 450 nm, a resonance peak at the wavelength of 530 nm, and a resonance peak at the wavelength of 630 nm.
  • the light-emitting diodes had a hexagonal base. Approximately, it was considered that the simulations carried out for light-emitting diodes with a circular base with a given radius are equivalent to simulations for which the light-emitting diodes would be with a hexagonal base, with a circle circumscribing the hexagonal cross-section having a radius equal to 1.1 times the given radius.
  • the lower 18 and upper 22 semiconductor portions and the active areas 20 of all the photodiodes were produced simultaneously by MOCVD.
  • a first test was carried out with the following parameters: height H equal to approximately 1 ⁇ m, pitch 'a' of the photonic crystal equal to 400 nm, and diameter of the circle circumscribed at the hexagonal base of the light-emitting diodes of approximately 270 nm +/- 25 nm. Considering a corrected diameter of about 297 nm on the simulation of figure 14, a resonance is expected at the wavelength of 630 nm.
  • FIG. 15 represents an evolution curve CR of the light intensity I, in arbitrary units, of the matrix 15 of light-emitting diodes as a function of the wavelength X for the first test. An intensity peak is indeed obtained for a wavelength equal to about 644 nm.
  • a second test was carried out with the same basic dimensions as the first test, with epitaxial growth conditions for the formation of the active zones (20) which were modified so as to slightly reduce the overall mean diameter of each light emitting diode to enter the contours R, G, and B on the simulation of figure 14.
  • the modified parameters were the thickness of the quantum barrier of the active zone which was increased, the flow In/III which has been increased and the temperature which has been increased.
  • FIG. 16 represents a CRGB evolution curve of the light intensity I, in arbitrary units, of the matrix 15 of light-emitting diodes as a function of the wavelength for the second test. Three resonance peaks are well obtained respectively at wavelengths of 450 nm, 590 nm, and 700 nm.
  • the coating 28 described previously can comprise additional layers other than an optical filter or optical filters.
  • the coating 28 can comprise an anti-reflection layer, a protective layer, etc.

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Abstract

La présente description concerne un dispositif optoélectronique (10) comprenant une matrice (15) de diodes électroluminescentes axiales (LED), les diodes électroluminescentes comprenant chacune une zone active (20) configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique dont le spectre d'émission comprend un maximum à une première longueur d'onde, la matrice formant un cristal photonique configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR20/13514 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine technique
[0001] La présente demande concerne un dispositif optoélectronique, notamment un écran d'affichage ou un dispositif de projection d'images, comprenant des diodes électroluminescentes à base de matériaux semiconducteurs, et leurs procédés de fabrication.
Technique antérieure
[0002] Une diode électroluminescente à base de matériaux semiconducteurs comprend généralement une zone active qui est la région de la diode électroluminescente depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement électromagnétique fourni par la diode électroluminescente. La structure et la composition de la zone active sont adaptées pour obtenir un rayonnement électromagnétique ayant les propriétés souhaitées. En particulier, il est généralement recherché l'obtention d'un rayonnement électromagnétique à spectre étroit, idéalement sensiblement monochromatique.
[0003] On s'intéresse plus particulièrement ici à des dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial, c'est-à-dire des diodes électroluminescentes comprenant chacune un élément semiconducteur tridimensionnel s'étendant selon une direction privilégiée et comprenant la zone active à une extrémité axiale de l'élément semiconducteur tridimensionnel.
[0004] Des exemples d'éléments semiconducteurs tridimensionnels sont des microfils ou nanofils comprenant un matériau semiconducteur comportant majoritairement au moins un élément du groupe III et un élément du groupe V (par exemple du nitrure de gallium GaN) , appelé par la suite composé III- V, ou comportant majoritairement au moins un élément du groupe II et un élément du groupe VI (par exemple de l'oxyde de zinc ZnO) , appelé par la suite composé II-VI. De tels dispositifs sont, par exemple, décrits dans les demandes de brevet français FR 2 995 729 et FR 2 997 558.
[0005] Il est connu de réaliser une zone active comprenant un puits quantique unique ou des puits quantiques multiples. Un puits quantique unique est réalisé en interposant, entre deux couches d'un premier matériau semiconducteur, par exemple un composé III-V, notamment du GaN, respectivement dopé de type P et N, une couche d'un deuxième matériau semiconducteur, par exemple un alliage du composé III-V et d'un troisième élément, notamment le InGaN, dont la bande interdite est différente du premier matériau semiconducteur. Une structure de puits quantiques multiples comprend un empilement de couches semiconductrices formant une alternance de puits quantiques et de couches barrières.
[0006] La longueur d'onde du rayonnement électromagnétique émis par la zone active du dispositif optoélectronique dépend notamment de la bande interdite du deuxième matériau formant le puits quantique. Lorsque le deuxième matériau est un alliage du composé III-V et d'un troisième élément, par exemple le InGaN, la longueur d'onde du rayonnement émis dépend notamment du pourcentage atomique du troisième élément, par exemple l'indium. En particulier, plus le pourcentage atomique d'indium est élevé, plus la longueur d'onde est élevée .
[0007] Un inconvénient est que lorsque le pourcentage atomique d'indium dépasse un seuil, il est observé des différences de paramètres de mailles entre les couches de GaN et de InGaN du puits quantique qui peuvent entraîner la formation de défauts non radiatifs dans la zone active, tels que des dislocations et/ou des effets de séparation d'alliage, ce qui entraîne une diminution importante du rendement quantique de la zone active du dispositif optoélectronique. Il existe donc une longueur d'onde maximale du rayonnement émis par un dispositif optoélectronique dont la zone active comprend un puits quantique unique ou des puits quantiques multiples à base de composés III-V ou II-VI. En particulier, la réalisation de diodes électroluminescentes en composés III-V ou II-VI émettant dans le rouge peut être donc difficile
[0008] Toutefois, l'utilisation de matériaux à base de composés III-V ou II-VI est souhaitable dans la mesure où il existe des procédés de croissance par épitaxie de tels matériaux sur des substrats de grandes dimensions et à coût réduit .
[0009] Il est connu de recouvrir une diode électroluminescente d'un matériau photoluminescent adapté à convertir le rayonnement électromagnétique émis par la zone active en un rayonnement électromagnétique à une longueur d'onde différente. Toutefois, de tels matériaux photoluminescents peuvent présenter un coût élevé, avoir un rendement de conversion faible, et présenter des performances qui se dégradent dans le temps.
[0010] En outre, il peut être difficile de réaliser une diode électroluminescente tridimensionnelle de type axial à base de composés III-V ou II-VI dont la zone active a un spectre d'émission ayant les propriétés souhaitées, en particulier comprenant une bande étroite autour de la fréquence d'émission cible .
Résumé de l'invention [0011] Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les inconvénients des dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes décrits précédemment .
[0012] Un autre objet d'un mode de réalisation est que la zone active de chaque diode électroluminescente comprend un empilement de couches de matériaux semiconducteurs à base de composés III-V ou II-VI.
[0013] Un autre objet d'un mode de réalisation est que le dispositif optoélectronique comprenne des diodes électroluminescentes configurées pour émettre un rayonnement lumineux dans le rouge sans utilisation de matériaux photoluminescents .
[0014] Un autre objet d'un mode de réalisation est la formation de diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial à base de composés III-V ou II-VI dont les zones actives ont un spectre d'émission ayant les propriétés souhaitées, en particulier comprenant une bande étroite autour de la fréquence d'émission cible.
[0015] Un mode de réalisation prévoit un dispositif optoélectronique comprenant une matrice de diodes électroluminescentes axiales, les diodes électroluminescentes comprenant chacune une zone active configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique dont le spectre d'émission comprend un maximum à une première longueur d'onde, la matrice formant un cristal photonique configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.
[0016] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un premier filtre optique recouvrant au moins une première partie de ladite matrice de diodes électroluminescentes, le premier filtre optique étant configuré pour bloquer ledit rayonnement amplifié sur une première plage de longueurs d'onde comprenant la première longueur d'onde et à laisser passer ledit rayonnement amplifié sur une deuxième plage de longueurs d'onde comprenant la deuxième longueur d'onde.
[0017] Selon un mode de réalisation, le spectre d'émission de la zone active présente de l'énergie à la deuxième longueur d ' onde .
[0018] Selon un mode de réalisation, le cristal photonique est configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une troisième longueur d'onde différente des première et deuxième longueurs d'onde.
[0019] Selon un mode de réalisation, le spectre d'émission de la zone active présente de l'énergie à la troisième longueur d'onde.
[0020] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un deuxième filtre optique recouvrant au moins une deuxième partie de ladite matrice de diodes électroluminescentes, le deuxième filtre optique étant configuré pour bloquer ledit rayonnement amplifié sur une troisième plage de longueurs d'onde comprenant les première et deuxième longueurs d'onde et à laisser passer ledit rayonnement amplifié sur une quatrième plage de longueurs d'onde comprenant la troisième longueur d'onde.
[0021] Selon un mode de réalisation, le cristal photonique est configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une quatrième longueur d'onde différente des première, deuxième, et troisième longueurs d'onde. [0022] Selon un mode de réalisation, le spectre d'émission de la zone active présente de l'énergie à la quatrième longueur d'onde.
[0023] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un troisième filtre optique recouvrant au moins une troisième partie de ladite matrice de diodes électroluminescentes, le troisième filtre optique étant configuré pour bloquer ledit rayonnement amplifié sur une cinquième plage de longueurs d'onde comprenant les première, deuxième, et troisième longueurs d'onde et pour laisser passer ledit rayonnement amplifié sur une sixième plage de longueurs d'onde comprenant la quatrième longueur d'onde.
[0024] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un support sur lequel reposent les diodes électroluminescentes, chaque diode électroluminescente comprenant un empilement d'une première portion semiconductrice reposant sur le support, de la zone active en contact avec la première portion semiconductrice et d'une deuxième portion semiconductrice en contact avec la zone active .
[0025] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une couche réfléchissante entre le support et les premières portions semiconductrices des diodes électroluminescentes.
[0026] Selon un mode de réalisation, la couche réfléchissante est en métal.
[0027] Selon un mode de réalisation, les deuxièmes portions semiconductrices des diodes électroluminescentes sont recouvertes d'une couche conductrice et au moins en partie transparente au rayonnement émis par les diodes électroluminescentes . [0028] Selon un mode de réalisation, les diodes électroluminescentes sont séparées par un matériau isolant électriquement .
[0029] Un mode de réalisation prévoit également un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comprenant une matrice de diodes électroluminescentes axiales, les diodes électroluminescentes comprenant chacune une zone active configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique dont le spectre d'émission comprend un maximum à une première longueur d'onde, la matrice formant un cristal photonique configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité du rayonnement électromagnétique par les diodes électroluminescentes à au moins une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.
[0030] Selon un mode de réalisation, la formation des diodes électroluminescentes de la matrice comprend les étapes suivantes :
- formation de deuxièmes portions semiconductrices sur un substrat, les premières portions semiconductrices étant séparées les unes des autres du pas de la matrice ;
- formation d'une zone active sur chaque première portion semiconductrice ; et
- formation d'une première portion semiconductrice sur chaque zone active.
[0031] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de retrait du substrat.
Brève description des dessins
[0032] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : [0033] la figure 1 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique comprenant des diodes électroluminescentes ;
[0034] la figure 2 est une vue en perspective, partielle et schématique, du dispositif optoélectronique représenté en figure 1 ;
[0035] la figure 3 représente schématiquement un exemple d'agencement des diodes électroluminescentes du dispositif optoélectronique représenté en figure 1 ;
[0036] la figure 4 représente schématiquement un autre exemple d'agencement des diodes électroluminescentes du dispositif optoélectronique représenté en figure 1 ;
[0037] la figure 5 représente, de façon schématique, des courbes d'évolution d'intensités lumineuses du rayonnement émis par le dispositif optoélectronique de la figure 1 illustrant une configuration à une résonance ;
[0038] la figure 6 représente, de façon schématique, des courbes d'évolution d'intensités lumineuses illustrant une configuration à deux résonances ;
[0039] la figure 7 représente, de façon schématique, des courbes d'évolution d'intensités lumineuses illustrant une configuration à trois résonances ;
[0040] la figure 8 illustre un procédé de sélection du rayonnement émis dans une configuration à deux résonances ;
[0041] la figure 9 illustre un procédé de sélection du rayonnement émis dans une configuration à trois résonances ;
[0042] la figure 10A illustre une étape d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du dispositif optoélectronique représenté en figure 1 ;
[0043] la figure 10B illustre une autre étape du procédé de fabrication ; [0044] la figure 10C illustre une autre étape du procédé de fabrication ;
[0045] la figure 10D illustre une autre étape du procédé de fabrication ;
[0046] la figure 10E illustre une autre étape du procédé de fabrication ;
[0047] la figure 10F illustre une autre étape du procédé de fabrication ;
[0048] la figure 10G illustre une autre étape du procédé de fabrication ;
[0049] la figure 11 illustre une étape d'un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication du dispositif optoélectronique représenté en figure 1 ;
[0050] la figure 12 est une carte en niveaux de gris de l'intensité lumineuse émise à une première longueur d'onde par une diode électroluminescente d'un cristal photonique du dispositif optoélectronique en fonction du pas du cristal photonique et du diamètre de la diode électroluminescente ;
[0051] la figure 13 est une carte en niveaux de gris de l'intensité lumineuse émise à une deuxième longueur d'onde par une diode électroluminescente d'un cristal photonique du dispositif optoélectronique en fonction du pas du cristal photonique et du diamètre de la diode électroluminescente ;
[0052] la figure 14 est une carte en niveaux de gris de l'intensité lumineuse émise à une troisième longueur d'onde par une diode électroluminescente d'un cristal photonique du dispositif optoélectronique en fonction du pas du cristal photonique et du diamètre de la diode électroluminescente ;
[0053] la figure 15 représente une courbe d'évolution de l'intensité lumineuse des diodes électroluminescentes en fonction de la longueur d'onde mesurée lors d'un premier essai ; et
[0054] la figure 16 représente une courbe d'évolution de l'intensité lumineuse des diodes électroluminescentes en fonction de la longueur d'onde mesurée lors d'un deuxième essai .
Description des modes de réalisation
[0055] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les dispositifs optoélectroniques considérés comprennent éventuellement d'autres composants qui ne seront pas détaillés.
[0056] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à un dispositif optoélectronique dans une position normale d'utilisation.
[0057] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. En outre, on considère ici que les termes "isolant" et "conducteur" signifient respectivement "isolant électriquement" et "conducteur électriquement".
[0058] Dans la suite de la description, la transmittance interne d'une couche correspond au rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans la couche. L'absorption de la couche est égale à la différence entre 1 et la transmittance interne. Dans la suite de la description, une couche est dite transparente à un rayonnement lorsque l'absorption du rayonnement au travers de la couche est inférieure à 60 %. Dans la suite de la description, une couche est dite absorbante à un rayonnement lorsque l'absorption du rayonnement dans la couche est supérieure à 60 %. Lorsqu'un rayonnement présente un spectre de forme générale "en cloche", par exemple de forme gaussienne, ayant un maximum, on appelle longueur d'onde du rayonnement, ou longueur d'onde centrale ou principale du rayonnement, la longueur d'onde à laquelle le maximum du spectre est atteint. Dans la suite de la description, l'indice de réfraction d'un matériau correspond à l'indice de réfraction du matériau pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement émis par le dispositif optoélectronique. Sauf indication contraire, l'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de l'indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement émis par le dispositif optoélectronique
[0059] Par diode électroluminescente axiale, on désigne une structure tridimensionnelle de forme allongée, par exemple cylindrique, selon une direction privilégiée, dont au moins deux dimensions, appelées dimensions mineures, sont comprises entre 5 nm et 2,5 pm, de préférence entre 50 nm et 2,5 pm. La troisième dimension, appelée dimension majeure, est supérieure ou égale à 1 fois, de préférence supérieure ou égale à 5 fois et encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 10 fois, la plus grande des dimensions mineures. Dans certains modes de réalisation, les dimensions mineures peuvent être inférieures ou égales à environ 1 pm, de préférence comprises entre 100 nm et 1 pm, plus préférentiellement entre 100 nm et 800 nm. Dans certains modes de réalisation, la hauteur de chaque diode électroluminescente peut être supérieure ou égale à 500 nm, de préférence comprise entre 1 pm et 50 pm.
[0060] Les figures 1 et 2 sont respectivement une vue en coupe latérale et une vue en perspective, partielles et schématiques, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 10 à diodes électroluminescentes.
[0061] Le dispositif optoélectronique 10 comprend, du bas vers le haut en figure 1 :
- un support 12 ;
- une première couche d'électrode 14 reposant sur le support 12 et ayant une face supérieure 16 ;
- une matrice 15 de diodes électroluminescentes axiales LED reposant sur la face 16, chaque diode électroluminescente axiale comprenant, de bas en haut en figure 1, une portion semiconductrice inférieure 18, non représentée en figure 2, en contact avec la couche d'électrode 14, une zone active 20, non représentée en figure 2, en contact avec la portion semiconductrice inférieure 18, et une portion semiconductrice supérieure 22, non représentée en figure 2, en contact avec la zone active 20 ;
- une couche isolante 24 s'étendant entre les diodes électroluminescentes LED, sur toute la hauteur des diodes électroluminescentes LED ;
- une deuxième couche d'électrode 26, non représentée en figure 2, recouvrant les diodes électroluminescentes LED au contact des portions semiconductrices supérieures 22 des diodes électroluminescentes LED ; et
- un revêtement 28, non représenté en figure 2, recouvrant la deuxième couche d'électrode 26, et délimitant une face d'émission 30 du dispositif optoélectronique 10.
[0062] Chaque diode électroluminescente LED est dite axiale dans la mesure où la zone active 20 est dans le prolongement de la portion semiconductrice inférieure 18 et la portion semiconductrice supérieure 22 est dans le prolongement de la zone active 20, l'ensemble comprenant la portion semiconductrice inférieure 18, la zone active 20, et la portion semiconductrice supérieure 22 s'étendant selon un axe A, appelé axe de la diode électroluminescente axiale. De préférence, les axes A des diodes électroluminescentes LED sont parallèles et orthogonaux à la face 16.
[0063] Le support 12 peut correspondre à un circuit électronique. La couche d'électrode 14 peut être métallique, par exemple en argent, en cuivre ou en zinc. L'épaisseur de la couche d'électrode 14 est suffisante pour que la couche d'électrode 14 forme un miroir. A titre d'exemple, la couche d'électrode 14 a une épaisseur supérieure à 100 nm. La couche d'électrode 14 peut recouvrir complètement le support 12. A titre de variante, la couche d'électrode 14 peut être divisée en parties distinctes de façon permettre la commande séparée de groupes de diodes électroluminescentes de la matrice de diodes électroluminescentes. Selon un mode de réalisation, la face 16 peut être réfléchissante. La couche d'électrode 14 peut alors présenter une réflexion spéculaire. Selon un autre mode de réalisation, la couche d'électrode 14 peut présenter une réflexion lambertienne . Pour obtenir une surface présentant une réflexion lambertienne, une possibilité est de créer des irrégularités sur une surface conductrice. A titre d'exemple, lorsque la face 16 correspond à la face d'une couche conductrice reposant sur une base, une texturation de la surface de la base peut être réalisée avant le dépôt de la couche métallique pour que la face 16 de la couche métallique, une fois déposée, présente des reliefs.
[0064] La deuxième couche d'électrode 26 est conductrice et transparente. Selon un mode de réalisation, la couche d'électrode 26 est une couche d'oxyde transparent et conducteur (TCO) , tel que de l'oxyde d'indium-étain (ou ITO, sigle anglais pour Indium Tin Oxide) , de l'oxyde de zinc dopé ou non à l'aluminium ou au gallium, ou du graphène . A titre d'exemple, la couche d'électrode 26 a une épaisseur comprise entre 5 nm et 200 nm, de préférence entre 20 nm et 50 nm. La couche isolante 24 peut être en un matériau inorganique, par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium. La couche isolante 24 peut être en un matériau organique, par exemple un polymère isolant à base de benzocyclobutène (BCB) . Le revêtement 28 peut comprendre un filtre optique, ou des filtres optiques disposés les uns à côté des autres, comme cela sera décrit plus en détail par la suite.
[0065] Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, toutes les diodes électroluminescentes LED ont la même hauteur. L'épaisseur de la couche isolante 24 est par exemple choisie égale à la hauteur des diodes électroluminescentes LED de telle manière que la face supérieure de la couche isolante 24 est coplanaire avec les faces supérieures des diodes électroluminescentes.
[0066] Selon un mode de réalisation, les portions semiconductrices inférieures 18 et supérieures 22 et les zones actives 20 sont, au moins en partie, en un matériau semiconducteur. Le matériau semiconducteur est choisi parmi le groupe comprenant les composés III-V, les composés II-VI, et les semiconducteurs ou composés du groupe IV. Des exemples d'éléments du groupe III comprennent le gallium (Ga) , l'indium (In) ou l'aluminium (Al) . Des exemples d'éléments du groupe IV comprennent l'azote (N) , le phosphore (P) ou l'arsenic (As) . Des exemples de composés III-N sont GaN, AIN, InN, InGaN, AlGaN ou AlInGaN. Des exemples d'éléments du groupe II comprennent des éléments du groupe IIA, notamment le béryllium (Be) et le magnésium (Mg) et des éléments du groupe IIB, notamment le zinc (Zn) , le cadmium (Cd) et le mercure (Hg) . Des exemples d'éléments du groupe VI comprennent des éléments du groupe VIA, notamment l'oxygène (O) et le tellure (Te) . Des exemples de composés II-VI sont ZnO, ZnMgO, CdZnO, CdZnMgO, CdHgTe, CdTe ou HgTe. De façon générale, les éléments dans le composé III-V ou II-VI peuvent être combinés avec différentes fractions molaires. Des exemples de matériaux semiconducteurs du groupe IV sont le silicium (Si) , le carbone (G) , le germanium (Ge) , les alliages de carbure de silicium (SiC) , les alliages silicium-germanium (SiGe) ou les alliages de carbure de germanium (GeC) . Les portions semiconductrices inférieures 18 et supérieures 22 peuvent comprendre un dopant. A titre d'exemple, pour des composés III-V, le dopant peut être choisi parmi le groupe comprenant un dopant de type P du groupe II, par exemple, du magnésium (Mg) , du zinc (Zn) , du cadmium (Cd) ou du mercure (Hg) , un dopant du type P du groupe IV, par exemple du carbone (G) ou un dopant de type N du groupe IV, par exemple du silicium (Si) , du germanium (Ge) , du sélénium (Se) , du souffre (S) , du terbium (Tb) ou de l'étain (Sn) . De préférence, la portion semiconductrice inférieure 18 est en GaN dopé P et la portion semiconductrice supérieure 22 est en GaN dopé N.
[0067] Pour chaque diode électroluminescente LED, la zone active 20 peut comporter des moyens de confinement. A titre d'exemple, la zone active 20 peut comprendre un puits quantique unique. Elle comprend alors un matériau semiconducteur différent du matériau semiconducteur formant les portions semiconductrices inférieure 18 et supérieure 22 et ayant une bande interdite inférieure à celle du matériau formant les portions semiconductrices inférieure 18 et supérieure 22. La zone active 20 peut comprendre des puits quantiques multiples. Elle comprend alors un empilement de couches semiconductrices formant une alternance de puits quantiques et de couches barrières.
[0068] Sur les figures 1 et 2, chaque diode électroluminescente LED a la forme d'un cylindre à base circulaire d'axe A. Toutefois, chaque diode électroluminescente LED peut avoir la forme d'un cylindre d'axe A à base polygonale, par exemple carrée, rectangulaire ou hexagonale. De préférence, chaque diode électroluminescente LED a la forme d'un cylindre à base hexagonale .
[0069] On appelle hauteur H de la diode électroluminescente LED la somme de la hauteur hl de la portion semiconductrice inférieure 18, de la hauteur h2 de la zone active 20, de la hauteur h3 de la portion semiconductrice supérieure 22, de l'épaisseur de la couche d'électrode 26, et de l'épaisseur du revêtement 28.
[0070] Selon un mode de réalisation, les diodes électroluminescentes LED sont agencées pour former un cristal photonique. Douze diodes électroluminescentes LED sont représentées à titre d'exemple en figure 2. En pratique, la matrice 15 peut comprendre entre 7 et 100000 diodes électroluminescentes LED.
[0071] Les diodes électroluminescentes LED de la matrice 15 sont agencées en lignes et en colonnes (3 lignes et 4 colonnes étant représentées à titre d'exemple en figure 2) . Le pas 'a' de la matrice 15 est la distance entre l'axe d'une diode électroluminescente LED et l'axe d'une diode électroluminescente LED proche, de la même ligne ou d'une ligne adjacente. Le pas a est sensiblement constant. Plus précisément, le pas a de la matrice est choisi de telle manière que la matrice 15 forme un cristal photonique. Le cristal photonique formé est par exemple un cristal photonique 2D.
[0072] Les propriétés du cristal photonique formé par la matrice 15 sont choisies avantageusement pour que la matrice 15 des diodes électroluminescentes forme une cavité résonante dans le plan perpendiculaire à l'axe A et une cavité résonante selon l'axe A notamment pour obtenir un couplage et augmenter l'effet de sélection. Ceci permet que l'intensité du rayonnement émis par l'ensemble des diodes électroluminescentes LED de la matrice 15 par la face d'émission 30 soit amplifié pour certaines longueurs d'onde par rapport à un ensemble de diodes électroluminescentes LED qui ne formerait pas un cristal photonique.
[0073] Les figures 3 et 4 représentent schématiquement des exemples d'agencements des diodes électroluminescentes LED de la matrice 15. En particulier, la figure 3 illustre un agencement dit en maillage carré et la figure 4 illustre un agencement dit en maillage hexagonal.
[0074] Les figures 3 et 4 représentent chacune trois lignes de quatre diodes électroluminescentes LED. Dans l'agencement illustré en figure 3, une diode électroluminescente LED est située à chaque croisement d'une ligne et d'une colonne, les lignes étant perpendiculaires aux colonnes. Dans l'agencement illustré en figure 4, les diodes sur une ligne sont décalées de la moitié du pas a par rapport aux diodes électroluminescentes sur la ligne précédente et la ligne suivante .
[0075] Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures 3 et 4, chaque diode électroluminescente LED a une section droite circulaire de diamètre D dans un plan parallèle à la face 16. Dans le cas d'un agencement en réseau hexagonal ou d'un agencement en réseau carré, le diamètre D peut être compris entre 0,05 pm et 2 pm. Le pas a peut être compris entre 0,1 pm et 4 pm.
[0076] En outre, selon un mode de réalisation, la hauteur H de la diode électroluminescente LED est choisie pour que chaque diode électroluminescente LED forme une cavité résonante selon l'axe A à la longueur d'onde centrale X souhaitée du rayonnement émis par le dispositif optoélectronique 10. Selon un mode de réalisation, la hauteur H est choisie sensiblement proportionnelle à k* (X/2 ) *nef f , neff étant l'indice de réfraction effectif de la diode électroluminescente dans le mode optique considéré et k étant un entier positif. L'indice de réfraction effectif est par exemple défini dans l'ouvrage "Semiconductor Optoelectronic Devices : Introduction to Physics and Simulation" de Joachim Piprek .
[0077] Dans le cas où les diodes électroluminescentes sont réparties en groupes de diodes électroluminescentes émettant à des longueurs d'onde centrales différentes, la hauteur H peut être néanmoins la même pour toutes les diodes électroluminescentes. Elle peut alors être déterminée à partir des hauteurs théoriques qui permettraient d'obtenir des cavités résonantes pour les diodes électroluminescentes de chaque groupe, et est par exemple égale à la moyenne de ces hauteurs théoriques.
[0078] Selon un mode de réalisation, les propriétés du cristal photonique, formé par la matrice 15 des diodes électroluminescentes LED, sont sélectionnées pour augmenter l'intensité lumineuse émise par la matrice 15 de diodes électroluminescentes LED à au moins une longueur d'onde cible. Selon un mode de réalisation, la zone active 20 de chaque diode électroluminescente LED présente un spectre d'émission dont le maximum est à une longueur d'onde différente de la longueur d'onde cible. Toutefois, le spectre d'émission de la zone active 20 recouvre la longueur d'onde cible, c'est-à- dire que l'énergie du spectre d'émission de la zone active 20 à la longueur d'onde cible n'est pas nulle.
[0079] La figure 5 représente, de façon schématique, en fonction de la longueur d'onde λ, une courbe d'évolution C1 (en trait plein) de l'intensité lumineuse I émise par les zones actives 20 des diodes électroluminescentes LED considérées isolément, une courbe d'évolution C2 (en traits tiretés) du facteur d'amplification dû au couplage avec le cristal photonique et une courbe d'évolution C3 (en pointillés) de l'intensité lumineuse émise par la matrice 15 de diodes électroluminescentes. La courbe C1 a une forme générale "en cloche" et présente un sommet à une longueur d'onde centrale λc. La courbe C2 correspond à un pic de résonance étroit centré sur une longueur d'onde cible λT1. La courbe C3 comprend un sommet S à la longueur d'onde centrale λc et un pic P1 à la longueur d'onde cible λT1. En particulier, la largeur de bande de la courbe C3 à mi-hauteur pour le sommet S peut être supérieure à la largeur de bande de la courbe C3 à mi-hauteur pour le pic Pi, par exemple d'un facteur 2, en particulier d'un facteur variant de 8 à 15, par exemple égal à 10.
[0080] Selon un mode de réalisation, l'obtention d'un dispositif optoélectronique 10 émettant un rayonnement lumineux à spectre étroit à la longueur d'onde cible λT1 peut être obtenu en filtrant le rayonnement émis par la matrice 15 de diodes électroluminescentes LED pour bloquer les longueurs d'onde inférieures à la longueur d'onde cible λT1. Ceci peut être obtenu en prévoyant un filtre optique dans le revêtement 28. En figure 5, la partie bloquée du spectre du rayonnement émis par la matrice 15 de diodes électroluminescentes est hachurée. Le spectre du rayonnement émis par la face d'émission 30 du dispositif optoélectronique 10 comprend alors principalement le pic P1.
[0081] Ceci permet de façon avantageuse de former une zone active 20 émettant un rayonnement d'intensité maximale à une longueur d'onde centrale λc différente de la longueur d'onde cible λT1. Ceci permet, en outre, de façon avantageuse de pouvoir utiliser une zone active 20 émettant un rayonnement dont la bande d'émission à mi-hauteur est supérieure à celle du rayonnement cible. Ceci permet en outre de façon avantageuse de faciliter la fabrication de la zone active 20. En effet, à titre d'exemple, lorsque la zone active 20 comprend une couche en InGaN, la longueur d'onde centrale du rayonnement émis augmente avec la proportion d'indium. Toutefois, pour obtenir une longueur d'onde d'émission correspondant au rouge, il faudrait obtenir une proportion d'indium supérieure à 16 %, ce qui se traduit par une chute du rendement quantique de la zone active. Le fait d'utiliser une zone active 20 émettant un rayonnement d'intensité maximale à une longueur d'onde centrale λc inférieure à la longueur d'onde cible λT1 permet d'utiliser une zone active 20 avec un rendement quantique amélioré. Ceci permet en outre d'obtenir un rayonnement à la longueur d'onde cible λT1 en utilisant une zone active 20, émettant un rayonnement d'intensité maximale à la longueur d'onde centrale λc, qui est plus facile à fabriquer, sans devoir utiliser de matériaux photoluminescents. En outre, la hauteur h1 de la portion semiconductrice inférieure 18 et la hauteur h2 de la portion semiconductrice supérieure 22 sont de façon avantageuse déterminées pour que l'intensité lumineuse du pic à la longueur d'onde cible λT1 soit maximale.
[0082] La figure 6 est une figure analogue à la figure 5 à la différence que la courbe d'évolution C2 du facteur d'amplification dû au cristal photonique comprend deux pics de résonance étroits centrés respectivement sur les longueurs d'onde cible λT1 et λT2. La courbe C3 comprend alors le sommet S à la longueur d'onde centrale λc, le pic P1 à la longueur d'onde cible λT1, et un pic P2 à la longueur d'onde cible λT2.
[0083] La figure 7 est une figure analogue à la figure 5 à la différence que la courbe d'évolution C2 du facteur d'amplification dû au cristal photonique comprend trois pics de résonance étroits centrés respectivement sur les longueurs d'onde cible λT1, λT2, et λT3. La courbe C3 comprend le sommet S à la longueur d'onde centrale λc, le pic P1 à la longueur d'onde cible λT1, le pic P2 à la longueur d'onde cible λT2 et un pic P3 à la longueur d'onde cible λT3, représentée en figure 7 sensiblement égale à la longueur d'onde centrale λc.
[0084] Les figures 8 et 9 illustrent le principe de filtrage du rayonnement émis par la matrice 15 de diodes électroluminescentes pour les configurations respectivement à deux pics de résonance et à trois pics de résonance. Comme cela a été décrit précédemment en relation avec la figure 5, l'obtention d'un dispositif optoélectronique émettant un rayonnement lumineux à spectre étroit centrée sur la longueur d'onde cible λT1 peut être obtenu en bloquant la partie non souhaitée du spectre d'émission des diodes électroluminescentes. A titre d'exemple, sur les figures 8 et 9, la partie bloquée du spectre du rayonnement émis par la matrice 15 de diodes électroluminescentes est hachurée et seul l'un des pics de résonance est conservé.
[0085] Le filtrage du rayonnement émis par la matrice de diodes électroluminescentes peut être réalisé par tout moyen. Selon un mode de réalisation, le filtrage est obtenu en recouvrant les diodes électroluminescentes d'une couche d'un matériau coloré. Selon un autre mode de réalisation, le filtrage est obtenu en recouvrant les diodes électroluminescentes d'un filtre interf érentiel . [0086] Selon un mode de réalisation, dans une configuration d'émission comprenant au moins deux pics de résonance, les diodes électroluminescentes de la matrice de diodes électroluminescentes peuvent être réparties en premier et deuxième groupes de diodes électroluminescentes. Un premier filtrage est mis en oeuvre pour les diodes électroluminescentes du premier groupe pour conserver seulement le premier pic de résonance et un deuxième filtrage est mis en oeuvre pour les diodes électroluminescentes du deuxième groupe pour conserver seulement le deuxième pic de résonance. Un dispositif optoélectronique configuré pour l'émission d'un premier rayonnement à une première longueur d'onde cible et d'un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d'onde cible peut ainsi être obtenu alors que les zones actives des diodes électroluminescentes et les matrices des diodes électroluminescentes des premier et deuxième groupes ont la même structure.
[0087] Selon un mode de réalisation, dans une configuration d'émission comprenant au moins trois pics de résonance, les diodes électroluminescentes peuvent être réparties en premier, deuxième, et troisième groupes de diodes électroluminescentes. Un premier filtrage est mis en oeuvre pour les diodes électroluminescentes du premier groupe pour conserver seulement le premier pic de résonance. Un deuxième filtrage est mis en oeuvre pour les diodes électroluminescentes du deuxième groupe pour conserver seulement le deuxième pic de résonance. Un troisième filtrage est mis en oeuvre pour les diodes électroluminescentes du troisième groupe pour conserver seulement le troisième pic de résonance. Un dispositif optoélectronique configuré pour l'émission d'un premier rayonnement à une première longueur d'onde cible, d'un deuxième rayonnement à une deuxième longueur d'onde cible, et d'un troisième rayonnement à une troisième longueur d'onde cible peut ainsi être obtenu alors que les zones actives des diodes électroluminescentes et les matrices des diodes électroluminescentes des premier, deuxième, et troisième groupes ont la même structure. Ceci permet notamment la réalisation de sous-pixels d'affichage pour un pixel d'affichage d'un écran d'affichage d'une image couleur.
[0088] Selon un mode de réalisation, le rayonnement après filtrage du premier groupe de diodes électroluminescentes correspond à de la lumière bleue, c'est-à-dire un rayonnement dont la longueur d'onde est dans la plage de 430 nm à 480 nm. Selon un mode de réalisation, le rayonnement après filtrage du deuxième groupe de diodes électroluminescentes correspond à de la lumière verte, c'est-à-dire un rayonnement dont la longueur d'onde est dans la plage de 510 nm à 570 nm. Selon un mode de réalisation, le rayonnement après filtrage du troisième groupe de diodes électroluminescentes correspond à de la lumière rouge, c'est-à-dire un rayonnement dont la longueur d'onde est dans la plage de 600 nm à 720 nm.
[0089] De façon avantageuse, des zones actives 20 ayant la même structure et la même composition peuvent être utilisées pour fabriquer des dispositifs optoélectroniques pouvant émettre des rayonnements à spectres étroits à des longueurs d'onde cibles différentes. Ceci permet de s'affranchir, lors de la conception d'un nouveau dispositif optoélectronique, de la conception d'une nouvelle structure pour les zones actives, avec toutes les difficultés de mise au point industrielle que cela implique, et donc de simplifier le procédé de conception d'un nouveau dispositif optoélectronique. En effet, toutes les diodes électroluminescentes peuvent être réalisées avec la même structure, de sorte que les étapes initiales du procédé de fabrication au moins jusqu'à la fabrication des diodes électroluminescentes peuvent être communes pour la fabrication de différents dispositifs optoélectroniques. [ 0090 ] Les figures 10A à 10G sont des vues en coupe , partielles et schématiques , des structures obtenues à des étapes successives d ' un mode de réalisation d ' un procédé de fabrication du dispositi f optoélectronique 10 représenté en figure 1 .
[ 0091 ] La figure 10A illustre la structure obtenue après les étapes de formation décrites ci-après .
[ 0092 ] Une couche de germination 42 est formée sur un substrat 40 . Des diodes électroluminescentes LED sont ensuite formées à partir de la couche de germination 42 . Plus précisément , les diodes électroluminescentes LED sont formées de telle manière que les portions semiconductrices supérieures 22 soient en contact avec la couche de germination 42 . La couche de germination 42 est en un matériau qui favorise la croissance des portions semiconductrices supérieures 22 . Pour chaque diode électroluminescente LED, la zone active 20 est formée sur la portion semiconductrice supérieure 22 et la portion semiconductrice inférieure 18 est formée sur la zone active 20 .
[ 0093 ] De plus , les diodes électroluminescentes LED sont situées de manière à former la matrice 15 , c ' est-à-dire à former des lignes et des colonnes avec le pas souhaité de la matrice 15 . Seule une ligne est partiellement représentée sur les figures 10A à 10G .
[ 0094 ] Un masque non représenté peut être formé avant la formation des diodes électroluminescentes sur la couche de germination 42 de manière à découvrir uniquement les parties de la couche de germination 42 aux emplacements où seront situées les diodes électroluminescentes . A titre de variante , la couche de germination 42 peut être gravée , avant la formation des diodes électroluminescentes , de manière à former des plots situés aux emplacements où seront formées les diodes électroluminescentes . [0095] Le procédé de croissance des diodes électroluminescentes LED peut être un procédé du type ou une combinaison de procédés du type dépôt chimique en phase vapeur (CVD, sigle anglais pour Chemical Vapor Deposition) ou dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD, acronyme anglais pour Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) , également connu sous le nom d'épitaxie organométallique en phase vapeur (ou MOVPE, acronyme anglais pour Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) . Toutefois, des procédés tels que l'épitaxie par jets moléculaires (MBE, acronyme anglais pour Molecular-Beam Epitaxy) , la MBE à source de gaz (GSMBE) , la MBE organométallique (MOMBE) , la MBE assistée par plasma (PAMBE) , l'épitaxie par couche atomique (ALE, acronyme anglais pour Atomic Layer Epitaxy) ou l'épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE, acronyme anglais pour Hydride Vapor Phase Epitaxy) peuvent être utilisés. Toutefois, des procédés électrochimiques peuvent être utilisés, par exemple, le dépôt en bain chimique (CBD, sigle anglais pour Chemical Bath Deposition) , les procédés hydrothermiques , la pyrolise d'aérosol liquide ou l' électrodépôt .
[0096] Les conditions de croissance des diodes électroluminescentes LED sont telles que toutes les diodes électroluminescentes de la matrice 15 se forment sensiblement à la même vitesse. Ainsi, les hauteurs des portions semiconductrices inférieure 18 et supérieure 22 et la hauteur de la zone active 20 sont sensiblement identiques pour toutes les diodes électroluminescentes de la matrice 15.
[0097] Selon un mode de réalisation, la hauteur de la portion semiconductrice supérieure 22 est supérieure à la valeur h3 voulue. En effet, il peut être difficile de contrôler avec précision la hauteur de la portion semiconductrice supérieure 22 notamment en raison du début de croissance de la portion semiconductrice supérieure 22 depuis la couche de germination 42 . De plus , la formation du matériau semiconducteur directement sur la couche de germination 42 peut causer des défauts cristallins dans le matériau semiconducteur j uste au- dessus de la couche de germination 42 . On peut donc vouloir retirer une partie de la portion semiconductrice supérieure 22 pour obtenir une hauteur constante avant formation de la zone active 20 .
[ 0098 ] La figure 10B illustre la structure obtenue après la formation de la couche 24 du matériau de remplissage , par exemple un matériau isolant électriquement , par exemple de l ' oxyde de silicium . La couche 24 est par exemple formée en déposant une couche de matériau de remplissage sur la structure représentée en figure 10A, la couche ayant une épaisseur supérieure à la hauteur des diodes électroluminescentes LED . La couche de matériau de remplissage est ensuite partiellement retirée de manière à être planarisée pour découvrir les faces supérieures des portions semiconductrices inférieures 18 . La face supérieure de la couche 24 est alors sensiblement coplanaire avec la face supérieure de chaque portion semiconductrice inférieure 18 . A titre de variante , le procédé peut comprendre une étape de gravure au cours de laquelle les portions semiconductrices inférieures 18 sont partiellement gravées .
[ 0099 ] Le matériau de remplissage est choisi de telle manière que le cristal photonique formé par la matrice 15 ait les propriétés voulues , c ' est-à-dire qu ' il améliore sélectivement en longueur d ' onde l ' intensité du rayonnement émis par les diodes électroluminescentes LED .
[ 0100 ] La figure 10C illustre la structure obtenue après le dépôt de la couche d ' électrode 14 sur la structure obtenue à l ' étape précédente . [0101] La figure 10D illustre la structure obtenue après la fixation au support 12 de la couche 14, par exemple par collage métal-métal, par thermocompression ou par brasure avec utilisation d'une eutectique du côté du support 12.
[0102] La figure 10E illustre la structure obtenue après le retrait du substrat 40 et de la couche de germination 42. De plus, la couche 24 et les portions semiconductrices supérieures 22 sont gravées de telle manière que la hauteur de chaque portion semiconductrice supérieure 22 ait la valeur h3 souhaitée. Cette étape permet, de façon avantageuse, de contrôler exactement la hauteur des diodes électroluminescentes et de retirer les parties des portions semiconductrices supérieures 22 pouvant avoir des défauts cristallins .
[0103] La figure 10F illustre la structure obtenue après le dépôt de la couche d'électrode 26.
[0104] La figure 10G illustre la structure obtenue après la formation d'au moins un filtre optique sur tout ou partie de la structure représentée en figure 10E. A titre d'exemple, dans une configuration à trois pics de résonance telle que décrite précédemment, on a représenté des premier, deuxième, et troisième filtres optiques FR, FG, FB, placés respectivement sur des premier, deuxième, et troisième groupes de diodes électroluminescentes LED.
[0105] La figure 11 illustre une variante du procédé de fabrication du dispositif optoélectronique représenté en figure 1, dans laquelle une étape de gravure partielle de l'extrémité libre de chaque portion semiconductrice supérieure 22 des diodes électroluminescentes LED est mise en oeuvre avant la formation de la couche d'électrode 26. L'étape de gravure partielle peut comprendre la formation de flancs inclinés 44 à l'extrémité libre des portions semiconductrices supérieures 22. Ceci permet de modifier légèrement les propriétés du cristal photonique. Ceci permet donc de modifier de façon fine la position des pics de résonance de l'amplification due au cristal photonique.
[0106] Des simulations et des essais ont été réalisés. Pour ces simulations et pour ces essais, pour chaque diode électroluminescente LED, la portion semiconductrice inférieure 18 était en GaN dopé de type P. La portion semiconductrice supérieure 22 était en GaN dopé de type N. L'indice de réfraction des portions semiconductrices inférieure et supérieure 18 et 22 était compris entre 2,4 et 2,5. La zone active 20 correspondait à une couche de InGaN. La hauteur h2 de la zone active 20 était égale à 40 nm. La couche d'électrode 14 était en aluminium. La couche isolante 24 était en polymère à base de BGB. L'indice de réfraction de la couche isolante 24 était compris entre 1,45 et 1,56. Pour les simulations, une réflexion spéculaire sur la face 16 a été considérée. La hauteur des portions semiconductrices inférieure 18 et supérieure 22 n'est pas un paramètre déterminant dans la mesure où cela ne modifie sensiblement pas la position des pics de résonance, même si cela a un impact sur l'intensité de ces pics de résonance.
[0107] Les figures 12, 13, et 14 sont des cartes en niveaux de gris de l'intensité lumineuse du rayonnement émis dans une direction inclinée de 5 degrés par rapport à une direction orthogonale à la face d'émission 30 respectivement à une première, deuxième, et troisième longueur d'onde de la matrice 15 de diodes électroluminescentes LED en fonction du pas 'a' du cristal photonique et du diamètre 'D' de chaque diode électroluminescente. Pour les simulations, la première longueur d'onde était de 450 nm (couleur bleue) , la deuxième longueur d'onde était de 530 nm (couleur verte) , et la troisième longueur d'onde était de 630 nm (couleur rouge) . [0108] Chacune des cartes de niveaux de gris comprend des zones plus claires qui correspondent à des pics de résonance. De telles zones à pics résonance sont indiquées, de façon schématique, par des contours B en traits pleins en figure 12, par des contours G en traits pointillés en figure 13 et par des contours R en traits mixtes en figure 14.
[0109] Ceci signifie donc, à titre d'exemple, qu'en sélectionnant le pas 'a' du cristal photonique et le diamètre 'D' des diodes électroluminescentes pour se situer dans l'une des régions délimitées par les contours B en figure 12, le spectre d'émission de la matrice 15 de diodes électroluminescentes LED, obtenu sans filtrage, présente au moins un pic de résonance à la longueur d'onde de 450 nm.
[0110] En figure 13, on a superposé les contours B de la figure 12 aux contours G. Ceci signifie donc, à titre d'exemple, qu'en sélectionnant le pas 'a' du cristal photonique et le diamètre 'D' des diodes électroluminescentes pour se situer dans l'une des régions délimitées à la fois par les contours B et G en figure 13, le spectre d'émission de la matrice 15 de diodes électroluminescentes LED, obtenu sans filtrage, présente au moins un pic de résonance à la longueur d'onde de 450 nm et un pic de résonance à la longueur d'onde de 530 nm.
[0111] En figure 14, on a superposé les contours B de la figure 12 et les contours G de la figure 13 aux contours R. Ceci signifie donc, à titre d'exemple, qu'en sélectionnant le pas 'a' du cristal photonique et le diamètre 'D' des diodes électroluminescentes pour se situer dans l'une des régions délimitées à la fois par les contours B, G, et R en figure 14, le spectre d'émission de la matrice 15 de diodes électroluminescentes LED, obtenu sans filtrage, présente au moins un pic de résonance à la longueur d'onde de 450 nm, un pic de résonance à la longueur d'onde de 530 nm, et un pic de résonance à la longueur d'onde de 630 nm.
[0112] Il est à noter qu'une optimisation peut être réalisée en faisant varier les hauteurs hl et h3.
[0113] Pour les essais, les diodes électroluminescentes étaient à base hexagonale. De façon approximative, il a été considéré que les simulations effectuées pour des diodes électroluminescentes à base circulaire avec un rayon donné sont équivalentes à des simulations pour lesquelles les diodes électroluminescentes seraient à base hexagonale, avec un cercle circonscrit à la section droite hexagonale ayant un rayon égal à 1,1 fois le rayon donné. Les portions semiconductrices inférieures 18 et supérieures 22 et les zones actives 20 de toutes les photodiodes ont été réalisées simultanément par MOCVD.
[0114] Un premier essai a été réalisé avec les paramètres suivants : hauteur H égale à environ 1 pm, pas 'a' du cristal photonique égal à 400 nm, et diamètre du cercle circonscrit à la base hexagonale des diodes électroluminescentes d'environ 270 nm +/- 25 nm. En considérant un diamètre corrigé d'environ 297 nm sur la simulation de la figure 14, une résonance est attendue à la longueur d'onde de 630 nm.
[0115] La figure 15 représente une courbe d'évolution CR de l'intensité lumineuse I, en unité arbitraire, de la matrice 15 de diodes électroluminescentes en fonction de la longueur d'onde X pour le premier essai. Un pic d'intensité est bien obtenu pour une longueur d'onde égale à environ 644 nm.
[0116] Un deuxième essai a été réalisé avec les mêmes dimensions de base que le premier essai, avec des conditions de croissance épitaxiale pour la formation des zones actives (20) qui ont été modifiées de manière à diminuer légèrement le diamètre moyen global de chaque diode électroluminescente pour entrer dans les contours R, G, et B sur la simulation de la figure 14. Par rapport au premier test, les paramètres modifiés étaient l'épaisseur de la barrière quantique de la zone active qui a été augmentée, le débit In/III qui a été augmentée et la température qui a été augmentée.
[0117] La figure 16 représente une courbe d'évolution CRGB de l'intensité lumineuse I, en unité arbitraire, de la matrice 15 de diodes électroluminescentes en fonction de la longueur d'onde pour le deuxième essai. Trois pics de résonance sont bien obtenus respectivement aux longueurs d'onde de 450 nm, 590 nm, et 700 nm.
[0118] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, le revêtement 28 décrit précédemment peut comprendre des couches supplémentaires autres qu'un filtre optique ou des filtres optiques. En particulier, le revêtement 28 peut comprendre une couche anti-reflet, une couche de protection, etc. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS Dispositif optoélectronique (10) comprenant une matrice (15) de diodes électroluminescentes axiales (LED) , les diodes électroluminescentes comprenant chacune une zone active (20) configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique dont le spectre d'émission comprend un maximum à une première longueur d'onde (λc) , la matrice formant un cristal photonique configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une deuxième longueur d'onde (λT1) différente de la première longueur d'onde. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un premier filtre optique (FR) recouvrant au moins une première partie de ladite matrice (15) de diodes électroluminescentes (LED) , le premier filtre optique étant configuré pour bloquer ledit rayonnement amplifié sur une première plage de longueurs d'onde comprenant la première longueur d'onde (λc) et à laisser passer ledit rayonnement amplifié sur une deuxième plage de longueurs d'onde comprenant la deuxième longueur d'onde (λT1) . Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le spectre d'émission de la zone active (20) présente de l'énergie à la deuxième longueur d'onde (λT1) . Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le cristal photonique est configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une troisième longueur d'onde (λT2) différente des première et deuxième longueurs d'onde (λc, λCT1) • Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le spectre d'émission de la zone active (20) présente de l'énergie à la troisième longueur d'onde (λT2) . Dispositif selon la revendication 4 ou 5, comprenant en outre un deuxième filtre optique (FG) recouvrant au moins une deuxième partie de ladite matrice (15) de diodes électroluminescentes (LED) , le deuxième filtre optique étant configuré pour bloquer ledit rayonnement amplifié sur une troisième plage de longueurs d'onde comprenant les première et deuxième longueurs d'onde (λc, λCT1) et à laisser passer ledit rayonnement amplifié sur une quatrième plage de longueurs d'onde comprenant la troisième longueur d'onde (λT2) . Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le cristal photonique est configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité dudit rayonnement électromagnétique à au moins une quatrième longueur d'onde (λT3) différente des première, deuxième, et troisième longueurs d'onde (λc, λCT1, λCT2) • Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le spectre d'émission de la zone active (20) présente de l'énergie à la quatrième longueur d'onde (λT3) . Dispositif selon la revendication 7 ou 8, comprenant en outre un troisième filtre optique (FB) recouvrant au moins une troisième partie de ladite matrice (15) de diodes électroluminescentes (LED) , le troisième filtre optique étant configuré pour bloquer ledit rayonnement amplifié sur une cinquième plage de longueurs d'onde comprenant les première, deuxième, et troisième longueurs d'onde (λc, λCT1, λCT2) et pour laisser passer ledit rayonnement amplifié sur une sixième plage de longueurs d'onde comprenant la quatrième longueur d'onde (λT3) . Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un support (12) sur lequel reposent les diodes électroluminescentes (LED) , chaque diode électroluminescente comprenant un empilement d'une première portion semiconductrice (18) reposant sur le support, de la zone active (20) en contact avec la première portion semiconductrice et d'une deuxième portion semiconductrice (22) en contact avec la zone active (20) .. Dispositif selon la revendication 10, comprenant une couche réfléchissante (14) entre le support (12) et les premières portions semiconductrices (18) des diodes électroluminescentes (LED) . . Dispositif selon la revendication 11, dans lequel la couche réfléchissante (14) est en métal. . Dispositif selon l'une quelconque des revendications
10 à 12, dans lequel les deuxièmes portions semiconductrices (22) des diodes électroluminescentes (LED) sont recouvertes d'une couche (26) conductrice électriquement et au moins en partie transparente au rayonnement émis par les diodes électroluminescentes (LED) .. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 13, dans lequel les diodes électroluminescentes (LED) sont séparées par un matériau isolant électriquement (24) .. Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique (10) comprenant une matrice (15) de diodes électroluminescentes axiales (LED) , les diodes électroluminescentes comprenant chacune une zone active (20) configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique dont le spectre d'émission comprend un maximum à une première longueur d'onde (λc) , la matrice formant un cristal photonique configuré pour former un pic de résonance amplifiant l'intensité du rayonnement électromagnétique par les diodes électroluminescentes à au moins une deuxième longueur d'onde (λT1) différente de la première longueur d'onde. . Procédé selon la revendication 15, dans lequel la formation des diodes électroluminescentes (LED) de la matrice (15) comprend les étapes suivantes :
- formation de deuxièmes portions semiconductrices (22) sur un substrat (40) , les premières portions semiconductrices étant séparées les unes des autres du pas de la matrice ;
- formation d'une zone active (20) sur chaque première portion semiconductrice ; et
- formation d'une première portion semiconductrice (18) sur chaque zone active. . Procédé selon la revendication 16, comprenant une étape de retrait du substrat (40) .
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