Brevet FR2373167A1 — publié le 19780630

La présente invention concerne un dispositif électroluminescent comportant un corps fait d'un matériau semiconducteur, ayant une région de type de conductivité P et une région de type de conductivité N formant entre elles une jonction électroluminescente P/N, des pièges isoélectroniques étant en densité plus grande et la conductivité du matériau plus faible, au voisinage de ladite jonction que dans les zones éloignées de celle-ci. On connaît les diodes à jonctions semiconductrices électrolu minescentes dans lesquelles la luminescence est due, en polarisation directe, à la présence au voisinage de la jonction, de pièges isoélectroniques tels que par exemple, des atomes d'azote dans le phosphure de gallium pour des diodes devant émettre une lumière verte. Pour obtenir un rendement lumineux plus élevé, il est avantageux de n'introduire l'azote qu'au voisinage de la jonction et de limiter sa concentration à une valeur beaucoup plus faible dans les régions éloignées de la jonction, le voisinage étant considéré comme limité au plus à une distance de l'ordre de quelques longueurs de diffusion de porteurs minoritaires. De telles diodes ont été décrites par exemple dans le brevet français n0 2 100 059.Mais dans ces diodes, il n'est pas tenu compte des autres facteurs influençant le rendement lumineux, notamment les concentrations de dopants des différentes régions, qui conditionnent l'efficacité d'injection de ces régions ainsi que leur efficacité de luminescence. On sait que l'efficacité d'injection, par exemple d'électrons, est égale au rapport du courant de porteurs considérés (électrons) au courant total (électrons et trous) et que le courant d'un type de porteurs est fonction de la concentration de porteurs libres de ce type dans la région injectante. Par ailleurs, l'efficacité #e luminescence dans la région émettrice de telles diodes est proportionnelle au produit de la concentration de porteurs libres majoritaires par la concentration de pièges isoélectroniques et par la durée de vie des porteurs minoritaires injectés. Un des buts de la présente invention est d'améliorer le rendement lumineux des diodes connues mentionnées plus haut, en tenant compte particulièrement des concentrations de dopant et des facteurs agissant sur les efficacités d'injection et sur les efficacités de luminescence. L'invention utilise notamment l'effet de confinement dû à une barrière de potentiel pour interdire à des porteurs minoritaires injectés dans une région luminescente d'atteindre des zones où les recombinaisons ne sont pas autant radiatives et utiliser ainsi au maximum les propriétés de volume. Selon l'invention, le dispositif électroluminescent comportant un corps fait de matériau semiconducteur, ayant une région de type. de conductivité P, et une région de type de conductivité N formant entre elles une jonction P/N, des pièges isoélectroniques étant en densité plus grande et la conductivité du matériau plus faible au voisinage de ladite jonction que dans les zones éloignées de celleci, est remarquable principalement en ce qu'il présente, à une distance de la jonction au plus égale à une longueur de diffusion de porteurs minoritaires, une barrière de potentiel par écart de concentration d'atomes dopants majoritaires dans un rapport d'au moins 100 du côté de conductivité P et d'au moins 10 du côté de conductivité N. L'écart de concentration dans un rapport 102 au moins entre la région P et la région voisine de même type de conductivité mais très fortement dopée (P+), provoque une barrière de potentiel de hauteur suffisante pour empecher les électrons injectés depuis la jonction d'aller au-delà. On sait en effet que la hauteur d'une telle barrière est étale à k étant la constante de Boltzmann, T la température absolue, q la charge de l'électron, CA1 et GA2 les concentrations en impuretes acceptrices des deux régions de part et d'autre de la barrière respectivement.Le rapport étant au moins égal à 100, la barrière de potentiel a une hauteur d'au moins 0,1 volt à la température ambiante et il y a un confinement d'électrons lorsque la hauteur d'une barrière de potentiel est supérieure à kT soit 0,025 volt à la température ambiante. On connaît q des dispositifs optoélectroniques comme les lasers, qui utilisent l'effet de confinement par une barrière de potentiel, mais cette barrière est, dans ces dispositifs, due à une jonction entre matériaux de largeurs de bande interdite différentes ce qui est plus difficile à mettre en oeuvre qu'une différence de concentration de dopant, et il est parfois meme impossible de réaliser correctement une telle barrière lorsque les réseaux cristallins des deux matériaux ne sont pas compatibles. Avantageusement, la barrière de potentiel du côté P est provoquée par un écart de concentration d'atomes dopants majoritaires dans un rapport d'au moins 103 et de ce fait au moins égale à 0,16 volt et particulièrement efficace. Du côté N de la diode, l'écart des concentrations de dopant dans un rapport d'au moins 10 établit également une barrière de potentiel, qui, bien qu'étant moins efficace dans le confinement des porteurs minoritaires que la barrière de potentiel côté P, assure une bonne efficacité d'injection d'électrons dans la région P voisine, la région à concentration plus forte étant distante de la jonction P/N de moins d'une longueur de diffusion des porteurs minoritaires, par exemple une demi-longueur de diffusion. Il va de soi que la concentration en atomes dopants qui est considérée ici, ne comprend pas les atomes constituant des pièges isoélectroniques neutres, qui n'affectent pas le type de conductivité, auxquels sont liés des excitons et qui sont à l'origine des recombinaisons radiatives de ces derniers. Dans une diode selon lainvention, il est avantageux de pr#évoir, dans les régions luminescentes, une concentration maximale de pièges isoélectroniques en meme temps qutune concentration optimale d'atomes dopants électriques. De préférence, la jonction entre les deux régions de type de conductivité P à concentrations différentes est abrupte, ce qui donne au champ électrique la valeur maximale et à la barrière de potentiel toute son efficacité. Avantageusement la région P+ à forte concentration est dopée jusqu'à etre dégénérée; ainsi la barrière de potentiel a une hauteur maximale et les conditions de contact sont améliorées, la résistance série due à cette région est minimale. On sait qu'un matériau semiconducteur de type P est dit dégénéré lorsque la concentration de dopant est suffisamment élevée pour que, dans le diagramme des bandes d'énergie du matériau, le niveau de Fermi pénètre dans la bande de valence. Pour obtenir une absorption minimale du rayonnement émis, lorsque la surface émettrice est la face externe #de la région P+ opposée à l'interface avec la région P, on donne à la région P+ l'épaisseur minimale. Cette épaisseur minimale peut etre déterminée en fonction de la géométrie et de- la dimension des électrodes de contact, compte tenu de la nécessité de répartir le courant de façon uniforme et d'éviter une répartition filamentaire ou irrégulière du courant. Il est à noter que le dopage jusqu'à dégénérescence n: modifie pas sensiblement le spectre d'absorption car les photons émis, au moins dans le cas de matériau à structure de bande indirecte, ont une énergie inférieure à la largeur de bande interdite et la diminution de transparence au-delà du seuil d'absorption ne les affecte pas sensiblement. De préférence, en vue d'améliorer l'efficacité d'injection d'électrons en direction des régions P, la région N à moindre concentration d'impuretés de dopage a une épaisseur inférieure à la moitié d'une longueur de diffusion des porteurs minoritaires, la région P à faible concentration d'impuretés de dopage ayant une épaisseur peu inférieure ou égale à une longueur de diffusion des porteurs minoritaires. Ainsi la région N+ à forte concentration d'impuretés de dopage participe efficacement à l'injection d'électrons, l'intégrale de la concentration de porteurs de charge majoritaires participant à l'injection s'étendant dans ces conditions dans la région N+ qui est alors prise en compte. Par exemple, la région N a une épaisseur égale à un tiers de longueur de diffusion de porteurs minoritaires et la région P a une épaisseur égale à une longueur de diffusion de porteurs minoritaires. Le dispositif selon l'invention est avantageusement réalisé par dépôt épitaxique sur un substrat semiconducteur de type N, ou de préférence N+, d'une première couche de type N+ fortement dopée, d'une deuxième couche de type N moins dopée et contenant laconcentration optimale de centres isoélectroniques de recombinaisons radiatives, d'une troisième couche de type P faiblement dopée et contenant également la concentration optimale de centres isoélectroniques de recombinaisons radiatives, et d'une quatrième couche de type P+ très fortement dopée. Le dépôt de la quatrième couche peut être remplacé par une diffusion thermique d'impuretés acceptrices dans la troisième couche, dans des conditions d'opération produisant une jonction P+/P suffisamment abrupte. L'invention est applicable notamment aux dispositifs lumi- nescents réalisés dans un matériau semiconducteur comprenant au moins un composant de la colonne III de la classification périodique des éléments et au moins un composant de la colonne V, par exemple le phosphure de gallium et l'arséniure-phosphure #de, gallium, et en particulier un matériau tel que le phosphure de gallium ou l'arséniure-phosphure de gallium de formule GaP1 xAsx avec x La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comme l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe schématique d'une diode électroluminescente selon l'invention. La figure 2 est un diagramme des concentrations de dopants et de centres isoélectroniques en fonction de l'épaisseur. La figure 3 est un diagramme des énergies, en fonction de l'épaisseur, du dispositif de la figure 1, en l'absence de tension appliquée. La diode représentée sur la figure 1 comporte, dans un corps de phosphure de gallium en forme de plaquette, une couche superficielle 1, de type de conductivité Ps dopée au zinc à une concentration comprise entre 1o19 et 5 x 1015 atomes/cm3 ayant une épaisseur de l'ordre de 5 micromètres, une deuxième couche 2, de type de conductivité P dopée au zinc à une concentration comprise entre 1016 et 1017 et, de préférence, à la concentration de 5 x 1016 atomes/cm3, ayant une épaisseur de ltordre.de 4 micromètres, une troisième couche 3, de type de conductivité N dopée au soufre à 16 î6 une concentration comprise entre 1016 et 5 x 1016 et, de préférence, à la concentration de 2 x 1016 atomes/cm3, ayant une épaisseur de 11 ordre de 2 micromètres, une quatrième couche 4, de type de con ductivité N+ dopée au soufre à la concentration d'environ 1018 atomes/cm3, ayant une épaisseur de l'ordre de 5 micromètres, et un substrat 5, de type de conductivité N+. Les couches 1 et 2 forment entre elles en 7 une barrière de potentiel pour les électrons, dont la hauteur est exprimée par la formule: dans laquelle C1 et C2 sont les concentrations en impuretés de dopage des couches I et 2. C1 et C2 étant respectivement égales à 5 x îo19 et 5 x 1016, la jonction entre les couches 1 et 2 provoque une barrière de 0,16 volt suffisante pour assurer un confinement total des électrons dans la couche 2.Les couches 2 et 3 forment entre elles une jonction P/N 6 électroluminescente lorsqu'elle est polarisée en direct au moyen d'une source d'énergie électrique 12, par l'intermédiaire des dépôts métalliques Il sur le substrat 5, et 10 sur la couche 1. La face émettrice du dispositif étant la face externe de la couche 1, le dépôt 10 est en forme d'anneau, ou de grille. Les couches 2 et 3 contiennent une concentration d'atomes d'azote comprise entre 1018 et 5 k 18 par cm3 et, de préférence, del'ordre de 1018 par cm3 leur assurant une bonne efficacité de luminescence. Les couches 3 et 4 forment entre elles en 8 une barrière de potentiel, dont le rôle est double: en premier lieu, du fait de la concentration de donneurs dans la couche 4 et de l'épaisseur de la couche 3, elle assure une bonne efficacité d'injection d'électrons en direction de la couche 2, en second lieu elle permet un confinement des trous injectés dans la couche 3.L'efficacité d'injection électronique, égale au rapport du courant d'électrons à la somme du courant d'électrons et du courant de trous, est dans le cas de cet exemple supérieur à 85%, compte tenu de l'épaisseur de la couche 3 qui est de l'ordre d.'un tiers de longueur de diffusion de porteurs minoritaires, et de l'épaisseur de la partie injectante de la couche 4 à considérer qui est de l'ordre de 1 micromètre à partir de la jonction 8. On a représenté sur la figure 2 les courbes des cóncentra- tions C de dopant des différentes couches et du substrat du dispositif de la figure 1 en fonction de la profondeur à partir de la face émettrice 9. La ligne 13' en traits interrompus donne le niveau de concentration de pièges isoélectroniques, dans les couches 2 et 3 notamment. La courbe 14 montre la concentration en atomes dopants de type P dans les couches 1 et 2, et la courbe 15 la concentration en atomes dopants de type N dans les couches 3 et 4 et dans le substrat 5. De même, on a représenté sur la figure 3 le diagramme des bandes d'énergie du meme dispositif en fonction de la profondeur à partir de la face émettrice 9. Sur ce diagramme, la droite F situe le niveau de Fermi en dehors de toute polarisation extérieure. Le dispositif décrit peut être réalisé par les procédés classiques d'élaboration de dispositifs multicouches épitaxiaux, avantageusement par épitaxie en phase liquide, les dopants étant apportés en phase vapeur, le zinc sous forme de vapeurs de zinc, le soufre sous forme de sulfure d'hydrogène H2S et l'azote est apporté sous forme d'ammoniac NH3, sur une solution de GaP dans le gallium. Les différentes couches sont obtenues au cours d'une même opération grâce à une modulation des#débits de gaz et des températures. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif électroluminescent comportant un corps fait d'un matériau semiconducteur, ayant une région de type de conductivité P et une région de type de conductivité N formant entre elles une jonction électroluminescente P/N, des pièges isoélectroniques étant en densité plus grande, et la conductivité du matériau plus faible, au voisinage de ladite jonction que dans les zones éloignées de cette dernière, caractérisé en ce qu'il présente, à une distance de ladite jonction au plus égale à une longueur de diffusion de porteurs minoritaires, une barrière de potentiel par écart de concentration d'atomes dopants majoritaires dans un rapport d'au moins 100 du côté de conductivité P et d'au moins 10 du côté de conductivité N. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barrière de potentiel du côté P est due à un écart de concentration d'atomes dopants majoritaires dans un rapport d'au moins 103. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une barrière de potentiel due à un écart de concentration d'atomes dopants majoritaires dans un rapport d'au moins 20 du côté N est distante de la jonction P/N de moins d'une longueur de diffusion de trous minoritaires. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la région de type de conductivité P à plus forte concentration de dopant est dégénérée. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la région de type P à faible concentration de dopant a une épaisseur presque égale à une longueur de diffusion d'électrons, la région de type N à moindre concentration de dopant ayant une épaisseur inférieure à une demi-longueur de diffusion des trous. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 -à 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un corps en matériau semiconducteur de formule GaP1 xAsx avec 0 N, une quatrième couche, épitaxiale, de type N au moins 10 fois plus dopée que la troisième couche, et un substrat supportant lesdites couches, de type N fortement dopé, les deuxième et troisième couches présentant une concentration de pièges isoélectroniques 18 18 3 d'azote comprise entre 1018 et 5 x 1018 par cm3. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, le corps étant en phosphure de gallium, la couche superficielle est dopée à une concentration comprise entre 1019 et 5 x 1019. atomes de zinc par cm3, la deuxième couche est dopée à une concentration comprise entre 1016 et 1017 atomes de zinc par cm3 et a une épaisseur de l'ordre de 4 micrometres, la troisième couche est dopée à une concentration comprise entre 1016 et 5 x 1016 atomes de soufre par cm3 et a une épaisseur de l'ordre de 2 micromètres, et la quatrième couche est dopée à environ 1018 atomes de soufre par cm3.