Brevet FR2192431A1 — publié le 19740208

La présente invention concerne un dispositif électroluminescent semiconducteur comportant une diode à jonction P/N dont les régions présentent de part et d'autre de ladite jonction une concentration sensiblement égale de centres dopeurs donnant un premier type de conductivité et un gradient de concentration de centres dopeurs donnant le second type de conductivité. Les diodes électroluminescentes à jonction P/N ont une effi- cacité lumineuse qui dépens entre autres, du rendement interne et de labscrption du rayonnement émis entre les zones drdflîission et la surface du dispositif. Pour améliorer le rendement interne on a intérêt à favoriser l'injection des porteurs minoritaires à travers la jonction et à favoriser les recombinaisons en volume plutôt qu t en surface : une jonction à très faible gradient de concentration est avantageuse. Pour diminuer ltabsorptin, il y a intérêt à avoir une concentration minimale et un gradient très faible dans la région traversée par le rayonnement.Les diodes électroluminescentes connues ne répondent pas de façon optimale aux conditions ci-dessus ; elles sont, en effet, réalisées le plus souvent par diffusion d'une impureté, dans un matériau dopé primitivement de façon nomogène au moyen d'une impureté de type opposé, la région diffusée étant de ce fait, plus dopée que le corps de la diode. De son coté, le procédé épitaxique ne permet pas en général dtobtenir directement des jonctions graduelles et de faibles gradients de concentration. L'invention a pour but de pallier les inconvénients des diodes électroluminescentes connus jusqu'ici et tend à fournir un dispositif à diode électroluminescente à jonction P/N graduelle favorable à I'ijectio de porteurs minoritaires dans la région de recombinaisons radiatives, et présentant une absorption minimale, en particulier dans cette dernière région. Selon ltinvention, le dispositif semiconducteur électroluminescent comportant une diode à jonction P/N dont les régions présentent de part et d'autre de ladite jonction P/N une concentration sensiblement égale de centres dopeurs donnant un premier type de conductivité et un gradient de concentration e centres dopeurs donnant le second type de conductiT ts, est remarquable principe lement en ce que, dans la région contiguë à la surface de sortie ae ltémission lumineuse du dispositif, la concentration en centres dopeurs donnant le second type de conductivité est faiblement déP croissante à partir de ladite jonction en direction de ladite surface. Le faible gradient de concentration en centres do peurs du second type, associé à la concentration sensiblement uniforme en en centres du premier type, fait que la jonction est très graduelle Ce profil de jonction est favorable à l'înection à travers la jonction des porteurs minoritaires provoquant les recombinaisons radiatives dans lune ou l'autre région. La concentration en centres dopeurs du second type étant décroissante à partir de la jonction en direction de la surface d'rez mission, le type de conductivité de la région contiguë à cette surface, ou région superficielle, est imposée par les centres dopeurs du premier type dont la concentration sensiblement uniforme peut être faible, la concentration minimale en étant seulement imposée par les nécessités de prises de contact. La région superficielle traversée par la lumière émise est ainsi peu dopée et présente une absorption minimale. Le gradient de concentration en centres do peurs donnant le second type concerne selon les cas ; toute une face du cristal, ou seulement une partie de cette face, le dispositif présentant dans ce dernier cas une jonction localisée. Dans une première forme avantageuse de réalisation de ltinven- tion, la diode à jonction P/N a une concentration homogène de centres donneurs, la région superficielle a une concentration de centres accepteurs décroissante vers la surface et la seconde région de la diode a une concentration en centres accepteurs supérieure à celle des centres donneurs. Dans cette forme de réalisation, la région superficielle est de type N. Cette disposition est favorable dans le cas de diode réalisée en matériau semiconducteur comprenant au moins un élément de la colonne III de la classification périodique des éléments et au moins un élément de la colonne V, par exemple l'arséniure de gallium. Dans ces matériaux en effet, et en particulier lorsque leur structure de bande est directe, la jonction graduelle est, dans cette forme de réalisation, particulièrement favorable à l1in- jection dtélectrons dans la région de type P où la probabilité de recombinaisons radiatives est la plus grande. Dans une seconde forme de réalisation de l'invention, la diode à jonction P/N a une concentration homogène de centres accepteurs, la région superficielle a une concentration de centres donneurs écroissante vers la surface et la seconde région de la diode a une concentration de centres donneurs supérieure à celle des centres accepteurs. Dans cette f rme de réalisation, la région superficielle est de type P. Cette disposition est favorable dans le cas de diode réalisée en matériau semiccnducteur dont le type P est luminescent tel que certains matériaux comprenant au moins un élément de la colonne III et au moins un élément de la colonne V. Les recombinaisons radiatives se font en volume, les recombinaisons en surface n'étant pas radiatives. La partie de la région superficielle de type P la plus proche de la jonction est la plus dopée et la probabilité de recombinaisons y est plus grande. Par contre, la partie de la région superficielle la plus proche de la surface est la moins dopée et labsorption de lumière qu'elle provoque est minimale. Dans les deux formes de réalisation mentionnées ci-dessus, la seconde région de la diode peut avoir une concentration sensiblement homogène en centres dopeurs donnant le second type, au moins dans la plus grande partie de son épaisseur, comme c'est le cas lorsque -cette concentration est obtenue lors de la croissance du cristal, soit au cours de la formation d'un lingot, soit au cours d'un dépôt épitaxique. La seconde région de la diode peut aussi être obtenue par diffusion et présenter dans ce cas un gradient de concentration de ces memes centres do peurs : par exemple lorsque le dispositif doit comporter une troisième région sous-jacente à la seconde région et de même type que la région superficielle. Dans une variante de réalisation du dispositif selon l1inven- tion, la couche superficielle de la région contiguë à la surface a, sur une très faible épaisseur relative, une forte concentra- tion en centres dopeurs donnant le premier type de conductivité, cette forte concentration étant très supérieure à celle des centres dopeurs dans toute l'épaisseur des deux régions de la diode. Les caractéristiques de prise de contact sur la région superficielle peuvent s'en trouver améliorées. Un dispositif électroluminescent selon l'invention peut être réalisé en suivant un procédé comportant les opérations habit tuelles ressortant des techniques connues utilisées dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs. Un procédé préférentiel de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans une des formes de réalisation décrites plus haut consiste notamment à prendre une plaquette monocristalline dopée uniformément d'une première impureté donnant un premier type de conductivité, avec une concentration N1, et d'une seconde impureté donnant le type de conductivité opposé, avec une concentration N2 > N1, à faire exodiffuser d'au moins une partie d'une grande surface plane de cette plaquette ladite seconde impureté, cette dernière étant choisie en raison de son taux d'exodiffusion plus élevé que celui de la première impureté. Le procédé d'exodiffusion permet en effet d'obtenir, avec un choix judicieux des matériaux, une jonction graduelle et une jonction superficielle de faible épaisseur. Selon une variante du procédé ci-dessus, on part d'une plaquette uniformément dopée en impuretés d'un premier type, puis une diffusion d'impuretés du type opposé est effectuée à partir de la surface active de la plaquette jusqu'à réaliser une jonction à une profondeur déterminée. Puis on effectue une exodiffusion de ces impuretés du type opposé, à travers cette surface active de façon à créer un gradient de concentration décroissante vers la surface, de ces impuretés, choisies pour leur fort coefficient d'exodifn fusion. De ce fait, une seconde jonction est réalisée plus proche de la surface que la première ; cette seconde jonction est graw duelle et présente les mêmes avantages que la jonction obtenue par le procédé décrit plus haut. Après obtention d'une jonction au moyen dtune opération dexo diffusion, d'autres opérations ressortant des techniques connues peuvent venir compléter le dispositif. Par exemple, un surdopage superficiel peut être obtenu par implantation ionique. Plus .particulbèrement, une diode électroluminescente à région superficielle de type N et à jonction graduelle peut être obtenue en partant d'une plaquette faite d'un matériau semiconducteur composé d'éléments III et V, uniformément dopés d'impuretés donnant-le type N et d'impuretés donnant le type P, ces dernières à taux d'exodiffusion plus élevé et avec une concentration deux à dix fois plus élevée que celle des impuretés donnant le type N. La plaquette est traitée thermiquement de façon à faire exodiffuser des impuretés donnant le type P. I1 est à nu ex 4ue cette Otrleture ae dnvAe est très difficile à réaliser si l'on fait appel aux procédés habituels de diffusion, lorsque le coefficient de diffusion des impuretés que l'on veut introduire dans la région superficielle est faible, ce qui est le cas de nombreux dopants donnant le type N dans les composés d'éléments III et V. Selon les impuretés de dopage choisies, l'exodiffusion peut être effectuée sous vide, en présence d'une phase gazeuse, liquide ou solide. Suivant le procédé. dssexodiffusion, une diode électroluminescente à région superficielle de type P à jonction graduelle peut aussi être obtenue en partant d'une plaquette d'un matériau semiconducteur composé d'éléments III et V uniformément chargée dtim- puretés donnant le type P et d'impuretés donnant le type N, ces dernières avec une concentration deux à dix fois plus élevée que celle des impuretés donnant le type P. La plaquette est traitée thermiquement de façon à faire exodiffuser principalement des atomes dtun élément V volatil entraînant une migration d'impureté tés donnant le type N et aboutissant ainsi à une inversion de la région superficielle au type N au type P.Par exemple, une plaquette d'arséniure de gallium obtenue par croissance selon la méthode Bridgmann,et dopée au silicium lui donnant le type N, est traitée thermiquement jusqu a inversion de type de la région superficielle sur une profondeur inférieure à 10 microns. La jonction obtenue est graduelle, la région superficielle très peu absorbante pour le rayonnement émis, le rendement lumineux ximal. La présente invention s'applique à la réalisation de dispositifs électroluminescents, en particulier des dispositifs d'affi- chage et des dispositifs photocoupleurs. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée. La figure 1 est un diagramme montrant le profil de concentra tion en centres dopeurs d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est une coupe schématique d'un dispositif électroluminescent conforme à l'invention. La figure 3 est une coupe schématique d'un autre dispositif électroluminescent conforme à ltinvention. La figure 4 est une coupe schématique d'un troisième dispose tif conforme à l'invention. I1 est à noter que, sur les figures, les prDportions et les dimensions des différents dispositifs n'ont pas été respectées et que les épaisseurs, en particulier, ont été fortement exagérées, en vue d'une meilleure compréhension. La figure 1 donne un diagramme montrant les concentrations en centres de dopage dans les deux régions d'une diode électroluminescente selon l'invention. Un premier type de centre dopeur avec une concentration N1 sensiblement constante se retrouve dans toute l'épaisseur des deux régions de la diode. La courbe en trait plein 1-2-3 de la concentration en centres do peurs du second type, en fonction de la profondeur X comptée à partir de la surface d'émission S, montre que dans la région superficielle de la diode entre la surface o et la jonction J, la concentration des centres do peurs du second type est décroissante en direction de la surface et que les centres dopeurs du second type sont minoritaires. Dans la zone proche de la jonction le gradient est faible, on a une jonction sensiblement linéaire à faible gradient, favorable au phénomène d'électroluminescence. La concentration de surface Ns des centres dopeurs du second type est peu élevée et la concentration de surface N1 des centres dopeurs du premier type est la concentration minimale admissible pour l'obtention de prises de contact ohmique ne présentant par une résistance trop élevée. La lumière émise dans la zone proche de la jonction J sort par la surface S après avoir traversé la région superficielle qui présente une absorption plus faible que dans les diodes électroluminescen- tes connues dont la courbe 5-6 en trait interrompu donne un exemple de gradient de concentration en porteurs du second type, la concentration en porteurs du premier type étant N1. La coupe schématique de la figure 2 montre une diode électro~ luminescente comprenant deux régions 11 et 12, séparées par une jonction 13, la lumière émise au voisinage de la jonction 13 sortant par la surface démission 15 dans la direction 14. Des contacts 16 et 17 sont déposés sur les surfaces des deux régions Il et 12 pour la polarisation de la2diode. La diode représentée figure/a par exemple, un diagramme de concentration de centres do peurs identique au diagramme de la figure 1. Cette diode est réalisée en arséniure de gallium, la concentration N2 est de 1018 atomes de zinc par cm3, la concentration Ni est de 2.10tu atomes par cm3, la concentration N5 est de 1017 atomes de zinc par cm3. La jonction 13 est b 7 microns de la surface 15. La diode de la figure 2 peut être réalisée par exodiffusion à partir d'une plaquette d'arséniure de gallium comportant des concentrations uniformes N1 et N2, obtenues par exemple par incorporation au cours de la croissance d'un lingot, ou au cours de la croissance dsun dépôt épitaxique sur un substrat fortement dopé de même type que la région 11. Le traitement d'exodiffusion est effectué, après décapage de la surface 15 par chauffage à 800 OC pendant 1 à 5 heures dans une ampoule fermée préalablement mise sous vide et dans laquelle est maintenue une atmosphère d'arsenic sous une pression inférieure à 1 atm. Un autre exemple de diode selon l'invention est donné sur la figure 3. La diode est formée des régions 21 de type P et 22 de type N entre lesquelles est la jonction 23. La lumière émise au voisinage de la jonction sort en 24 à travers les fenêtres 28 ménagées dans la grille de contact 27, un contact 26 étant prévu par ailleurs sur la région 22. En regard de la coupe schématique de la diode on a tracé un diagramme des concentrations C en centres dopeurs selon ltépaisseur X de la plaquette. La concentration en centres accepteurs NA est constante dans toute l'épaisseur de la diode, les centres accepteurs sont majoritaires dans toute ltépais~ seur A de la région 21.La concentration des centres donneurs vade de ND à N A dans l'épaisseur B de la région 22 où ils sont majoritaires et de NA à NDS dans l'épaisseur A de la région 21. La diode représentée sur la figure 3 peut être réalisée par exodiffusion. Partant d'un lingot d'arséniure de gallium de type de conductivité N, obtenu par croissance selon le procédé de Bridgmann avec un dopage au silicium de concentration 5.1017 atomes par cm3, dans lequel est pris un certain nombre de plaquettes, on inverse le type de conductivité du matériau sur une profondeur de 8 microns, par un traitement en ampoule fermée, à 850 "C pen ayant deux heures. Le dispositif représenté sur la figure 4 comporte trois réw gions 31, 32 et 34, dont les profils de concentration en centres do peurs sont donnés en regard de la coupe schématique du disposait tif. La concentration en impuretés d'un premier type, constituant par exemple des centres donneurs, est constante dans toute lié- paisseur du dispositif et égale à C1, exception faite d'une mince couche superficielle 36, présentant une forte concentration C2, obtenue par exemple par implantation ionique. La courbe 41 indique le profil de-concentration de cette première impureté. La concentration en impuretés du second type, constituant des centres accepteurs varie selon la courbe 42, courbe qui coupe la courbe 41, en deux points correspondant aux jonctions 33 et 35. Conformément à l'invention, la concentration en centres dopeurs donnant le second type de conductivité est faiblement décroissante à partir de la jonction, en direction perla surface 36. La concentration superficielle en impuretés du second type n'est que C3 - REVENDICATIONS 1.- Dispositif électroluminescent semiconducteur comportant une diode à jonction P/N, dont les régions présentent de part et d'autre de ladite jonction une concentration sensiblement égale de centres dopeurs donnant un premier type de conductivité, et un gradient de concentration de centres do peurs donnant le second type de conductivité, caracterisé en ce que, dans la région conti guë à la surface de sortie de l'émission lumineuse du dispositif, la concentration en centres do peurs donnant le second type de conductivité est faiblement décroissante à partir de ladite jonction en direction de ladite surface. 2.- Dispositif électroluminescent selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diode a une concentration homogène de centres donneurs, la région superficielle a une concentration de centres accepteurs décroissante vers la surface et la seconde région de la diode a une concentration en centres accepteurs supérieure à celle des centres donneurs. 3.- Dispositif électroluminescent selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diode a une concentration homogène de centres accepteurs, la région superficielle a une concentration de centres donneurs décroissante vers la surface et la seconde région de la diode a une concentration en centres donneurs supérieure à celle des centres accepteurs. 4.- Dispositif électroluminescent selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la concentration en centres dopeurs donnant le second type de conductivité est décroissante seulement dans la région contiguS à une partie localisée de la face de sortie de ltémissicn lumineuse. 5.- Dispositif électroluminescent selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une couche superficielle de la région contiguë à la surface a, sur une très faible épaisseur relative, une forte concentration en centres dopeurs donnant le premier type de conductivité, cette forte concentration étant très supérieure à celle de ces centres dopeurs dans toute l'épaisseur des deux régions de la diode. 6.- Dispositif électroluminescent selon l'une es revendica tions 1 a 5, caractérisé en ce que la seconde région de la diode a une concent rat ion en centres dopeurs donnant le second type de conductivité, sensiblement homogène dans la plus grande partie de son épaisseur. 7.- Dispositif électroluminescent selon ltune des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde région de la diode présente desgradients de concentration en centres dopeurs donnant le second type de conductivité. 8.- Dispositif électroluminescent selon l'une des rcvendications 1 à 7, caractérisé en ce qu il est fait d'un matériau comprenant au moins un élément de la colonne Imide la classification périodique des éléments et au moins un élément de la colonne V. 9.- Procédé de réalisation d'un dispositif conforme à lune des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 8, caractérisé en ce qu'une plaquette est dopée uniformément d'une première impureté donnant un premier type de conductivité avec une concentration N1, et d'une seconde impureté donnant le type de conductivité opposé avec une concentration N2 > N1, la seconde impureté ayant un taux d'exodiffusion plus élevé que la première impureté, et en ce que l'on fait exodiffuser ladite seconde impureté. 10.- Procédé de réalisation d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 7 et 8, caractérisé en ce su'unie plaquette est dopée uniformément d'une première impureté donnant un premier type de conductivité, une diffusion d'une seconde impureté, du type opposé, est effectuée à partir de la surface active de ladite plaquette jusqu a réaliser une jonction, puis on effectue une exodiffusion de ladite seconde impureté à travers ladite surface jusqutà créer une seconde jonction plus proche de la surface que la première jonction formée. 11.- Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'on effectue, par implantation ionique, un surdopage sur une faible épaisseur de la couche superficielle de la région contiguë à la surface.