Brevet FR2491714A1 — publié le 19820409

"DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR A DIODES ELECTROLUMINESCE:;TES LOCALISEES ET SON PROCEDE DE FABRICATION" La présente invention concerne un dispositif semicon- ducteur comportant, sur un substrat approprié d'un premier type de conduction, une pluralité de diodes électrolumines- centes disposées en lignes et en colonnes et obtenues à partir d'un ensemble d'au moins une première couche plane d'un second type de conduction opposé au premier recouverte d'une seconde couche également plane mais du même premier type de conduction que le substrat, ladite première couche formant avec la seconde couche un premier plan de jonction P-N à propriétés électroluminescentes et avec le substrat un second plan de jonction P-N à propriétés isolantes, les- dites diodes étant reliées à des connexions de commande situées à la surface dudit dispositif par des électrodes en contact avec chacune desdites couches. La présente invention concerne également le procédé de fabrication de ce dispositif. Les éléments électroluminescents sont souvent utilisés par groupes formant des matrices de points dans une dispo- sition établie le plus souvent en coordonnées XY. Ces élé- ments sont généralement des diodes à homojonction P-N ou hétérojonction PN mais, quel que soit le type employé, lesdits éléments seront désignés ci-après sous le terme qgénéral de diodes. Il s'avère particulièrement intéressant de réaliser ces matrices électroluminescentes sous une forme monolithique de dimensions minimales mais leur mise en oeuvre présente alors un certain nombre de difficultés. En effet, dans un grand nombre d'applications, les diodes électroluminescentes formant une matrice doiv-ent être disposées en quantité importante sur une surface -2- réduite et i'é.ission de rayonnerent de c:aac:ne d'entre elles doit, er. outre, être localisée dans une zone sensi- blement ponctuelle adaptée aux dimensions des récepteurs situés en recard. Par ailleurs, pour améliorer la vitesse de réponse desdites diodes, il est connu de réduire la capacité des jonctions par une réduction de leur surface. Ces diverses exigences conduisent donc à élaborer des matrices dont les éléments actifs (diodes électrolumines- centes) et passifs (connexions des ligne et/ou des co- lonne) sont très proches les uns des autres. Dans ces conditions, un isolement correct entre lesdits éléments est souvent difficile à réaliser et ne peut être obtenu que grâce, d'une part, à une délimitation parfaite de la configuration de chacun d'entre eux et, d'autre part, à une bonne homogénéité des couches isolantes les séparant. Or, la localisation des diodes dans une plaque d'un matériau semiconducteur donné est généralement obtenue par une opération de diffusion précédée de la photogravure d'une couche isolante recouvrant ledit matériau. Cette opération de photogravure qui fait appel à des procédés chimiques provoque souvent une attaque latérale de la couche isolante à traiter et parfois des attaques transversales parasites de cette mmère couche si le masque de photogravure n'est pas parfaitement homogêne. Ces défauts peuvent alors conduire à des courts-circuits entre éléments actifs ou passifs lors du dépôt des couches métalliques de prise de contact. De plus la localisation des diodes occupe une grande surface de la plaque puisque, la diffusion étant isotrope, la largeur des murs d'isolement séparant lesdites diodes est voisine du double de la profondeur de diffusion. Les solutions connues jusqu'à présent pour remédier à ces défauts et pour obtenir une bonne localisation ont tou- jours conduit a àCultzlier le nombre des opérations de décapage et de dép5t de ccuches d'oxyde ou de couches métal- lices. Ces reraticr- restent toutes complexes donc déli- -3- cates et sont d'un coût élevé: c'est pourquoi/ on peut noter que l'utilisation des matrices n'a guère progressé. Le but de la nouvelle invention est de proposer une matrice de diodes électroluminescentes compacte qui soit de réalisation simple et rapide. En effet, la présente invention concerne un dispositif semiconducteur comportant, sur un substrat approprié d'un premier type de conduction, une pluralité de diodes élec- troluminescentes localisées disposées en lignes et en co- lonnes et obtenues à partir d'un ensemble d'au moins une première couche plane d'un second type de conduction op- posé au premier recouverte d'une seconde couche également plane mais du même premier type de conduction que le sub- strat, ladite première couche formant avec la seconde cou- che un premier plan de jonction P-N à: propriétés électro- luminescentes et avec le substrat un second plan de jonc- tion P-N à propriétés isolantes, lesdites diodes étant reliées à des connexions de commande situées à la surface dudit dispositif par des électrodes en contact avec cha- cune desdites couches, dispositif notamment remarquable en ce que. les diodes électroluminescentes sort circonscrites par des régions semiisolantes d'épaisseur au moins égale à la somme des épaisseurs desdites couches et en ce que les con- nexions de commande en surface sont situées essentiellement au-dessus desdites régions semi-isolantes. Un matériau semi-isolant est traité pour présenter une résistivité très élevée supérieure à celle du matériau non traité des régions voisines pour atteindre des valeurs d'au moins 104 et, de préférence, 106 à 108n-cm. Dans ces conditions, du point de vue optique, les dio- des électroluminescentes sont bien localisées et, du point de vue électrique, peuvent être isolées latéralement les unes des autres d'une manière simple. Les régions semi-isolantes sont, par ailleurs, suffi- samment résistives pour que les connexions de surfaces puissent y être déposées directement sans crainte de courts- circuits avec les parties actives des couches sous-jacentes. 249 1714 -4- Le second plan de jonction P-N situé sous les diodes élec- troluminescentes a pour avantage de permettre l'isolement électrique de celles-ci transversalement. Ainsi, le dispositif selon l'invention forme une matrice de diodes électroluminescentes à émission sensiblement ponc- tuelle isolées totalement les unes des autres et pouvant être excitées unitairement. La plus grande partie des connexions nécessaires à leur commande porte sur les régions semi-isolantes et se trouve suffisamment isolée des éléments voisins: seules les ré- gions desdites connexions qui se trouvent superposées avec d'autres connexions doivent être séparées de ces dernières par une nouvelle couche isolante. Cette simplification des problèmes d'isolement améliore notablement la mise en oeuvre du procédé de réalisation du dispositif selon l'invention, mise en oeuvre qui, par ail- leurs, ne fait appel qu'à des moyens classiques d'épitaxie, de diffusion, d'implantation, de dépôt et de photogravure. Avantageusement, la première et la seconde couches à partir desquelles est formé le premier plan de jonction P-N à propriétés électroluminescentes sont constituées du même matériau ou d'un matériau de même maille cristalline, ce qui élimine les contraintes et les dislocations dues à une hétérogénéité de matériau. Si le substrat est en GaAs. il est préférable de réali- ser lesdites couches soit à partir de ce même composé soit à partir de Ga1 xAlxAs de même maille cristalline. Si le substrat est en GaP, il est préférable d'utiliser l'homo-épitaxie GaP/GaP. Si l'on désire utiliser du Ga As P de maille-cristalline différente de celle du 1-x XI GaP, il est, en effet, nécessaire de prévoir une couche tampon à variation progressive de composition entre le sub- strat et la première couche déposée sur le substrat. La présente invention concerne également le procédé de réalisation dudit dispositif, procédé selon lequel, après avoir déposé successivement par épitaxie sur un substrat donné d'un premier type de conduction au moins une première -5- couche plane d'un second type de conduction opposé au pre- mier puis une seconde couche plane du premier type de con- duction,ladite première couche formant avec la seconde une jonction P-N électroluminescente et avec le substrat une jonction d'isolementon recouvre la surface de ladite seconde couche d'une couche isolante servant ensuite de masque pour la diffusion localisée d'impuretés engendrant des électrodes de prise de contact dans lesdites couches, procédé notanment remarquable en ce que, à travers un masque approprié déposé sur la surface du dispositif, on rend semi-isolantes une suite de régions localisées traversant lesdites couches et divisant ledit dispositif en une pluralité de diodes électrolumines- centes disposées en lignes et en colonnes, les connexions mé- talliques reliées aux électrodes de contact étant déposées ensuite essentiellement sur lesdites régions semi-isolantes dans une configuration similaire à celle desdites diodes électroluminescentes et isolées convenablement aux endroits o elles se croisent. La mise en oeuvre d'un tel procédé ne requiert pas d'o- pérations complexes ou délicates et ne fait appel qu'à des appareillages utilisés couramment dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs. Dans ces conditions, il de- vient aisé de réaliser des matrices de diodes électrolumi- nescentes de grande densité et d'un prix de revient rela- tivement faible. Il est possible d'envisager, en effet, d'obtenir des réseaux d'interconnexions par matrices de 000 points (100 x 100). Avantageusement, les régions qui limitent l'étendue desdites diodes électroluminescentes sont rendues semi- isolantes par une implantation d'ions et notamment de pro- tons à travers les ouvertures pratiquées dans un masque de polyimide. On sait, en effet, qu'une implantation d'ions, de na- ture, d'énergie et de doses convenables, permet de trans- former une région de matériau semiconducteur en une région semi-isolante par création de défauts du réseau qui rédui- sent fortement la concentration de porteurs libres dans -6- le matériau. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure i représente une vue schématique en perspec- tive du dispositif selon l'invention. La figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de ce même dispositif. Il est à noter que, sur les figures, les proportions géométriques n'ont pas été respectées, certaines dimensions ayant été exagérées, notamment en épaisseur, pour rendre les dessins plus clairs. Conformément aux figures l et 2, le dispositif selon l'invention comporte un substrat l sur lequel ont été dé- posées successivement les couches épitaxiques 2 et 3. Le substrat i est d'un premier type de conduction donné, N par exemple, la première couche plane épitaxique 2 déposée à la surface dudit substrat est d'un second type de conduc- tion opposé au premier, donc P, et la seconde couche 3 est de type N. Pour accéder à ladite couche 2 depuis la surface du dis- positif, des îlots 4 de type P+ ont été créés, constituant ainsi des électrodes de contact. Eventuellement, des îlots de type N+ en contact avec la couche 3 peuvent également être créés. Les couches 2 et 3 constituent une jonction P-N à pro- priétés électroluminescentes J1 et la couche 2 forme avec le substrat l une jonction P-N à propriétés d'isolement J2. Lesdites couches 2 et 3 sont divisées en une succession d'éléments indépendants par des caissons semi-isolants 5 pour former une pluralité de diodes électroluminescentes (Jet J12' j isolées latéralement par lesdits caissons 5 et transversalement par la jonction J2 divisée également en une suite d'éléments indépendants (J21' J22.' j en re- gard desdites diodes. -7- Pour garantir la localisation des diodes électrolumi- nescentes, la profondeur des caissons 5 est au moins égale à la somme des épaisseurs des couches 2 et 3 mais, de pré- férence, elle lui est supérieure. A la surface des caissons semi-isolants 5 sont disposée les réseaux de connexions 6 et 7 dans une configuration sensiblement orthogonale, lesdites connexions 6 et 7 étant isolées les unes des autres à leur croisement par une cou- che isolante 8, d'oxyde SiO2 par exemple. Pour limiter l'importance d'éventuels courants de fuite en surface, l'isolement desdits réseaux de connexions 6 et 7 peut être favorablement renforcé par la présence de sous- couches diélectriques (SiO2, Si3N4) non représentées sur les figures. Pour obtenir ce dispositif, on part d'un substrat l d'un composé comprenant au moins un élément de la colonne III de la classification périodique des éléments et au moins un élément de la colonne V, comme l'arséniure de gallium (GaAs) de type N par exemple. Ce substrat est recouvert d'une première couche 2 d'ar- séniure de gallium Ga XAlxAs déposée-par épitaxie et dopée au zinc pour présenter le type de conduction P opposé à celui du substrat l qui est N puis d'une seconde couche 3 également d'arséniure de gallium et d'aluminium Ga yAlyAs mais du premier type de conduction N. Sur la face externe de la couche 3 on a déposé puis photogravé un film mince isolant de nitrure de silicium non représenté sur les figures dans les ouvertures duquel, on crée, par diffusion d'impuretés de zinc, les îlots 4 constituant les électrodes de contact. Après décapage de cette couche isolante, on dépose un masque de résine imperméable au bombardement d'ions prévu. Ce masque est par exemple constitué d'une pellicule de poly- imide gravée à travers un autre masque réalisé par dépôt d'une laque photosensible adéquate. Le masque en résine poly imide présente une série d'ouvertures rectangulaires et parallèles dans une direction donnée et une autre série -8- d'ouvertures également rectangulaires et parallèles mais dans une direction sensiblement perpendiculaire à la précé- dente de manière à délimiter une pluralité de zones carrées ou rectangulaires opaques au bombardement ionique; les ou- vertures dans le masque correspondent à la surface des régions profondes semi-isolantes que l'on désire obtenir. Le masque de résine peut éventuellement être remplacé par un masque métallique, notamment par un masque d'or. Le substrat l et les couches 2 et 3 qui le recouvrent sont alors soumis à un bombardement de protons, par exemple, dirigé perpendiculairement à la surface desdites couches. Les défauts du réseau cristallin créés par les protons pro- voquent une très forte augmentation de la résistivité des régions atteintes 5, celles-ci présentant dès lors les caractéristiques d'un matériau isolant. Après élimination du masque en polyimide, une première couche métallique déposée à la surface de la couche 3 puis photogravée permet de réaliser le premier réseau de conne- xions 6. Après avoir déposé et photogravé sur ce réseau 6 une couche isolante 8, en SiO2 par exemple, on dépose une seconde couche métallique qui, après photogravure, consti- tue le second réseau de connexions 7, isolé du premier ré- seau 6, au moins au niveau des croisements par ladite cou- che 8. Conformément à l'invention, le masque de photogravure permettant d'obtenir les réseaux de connexions 6 et 7 est réalisé de telle manière que lesdites connexions soient déposées essentiellement à la surface des régions semis isolantes 5. - - REVENDICATIONS - 1.- Dispositif semiconducteur comportant, sur un sub- strat approprié (1) d'un premier type de conduction, une pluralité de diodes électroluminescentes localisées (Jil' J12...) disposées en lignes et en colonnes et obtenues à partir d'un ensemble d'au moins une première couche plane (2) d'un second type de conduction opposé au premier re- couverte d'une seconde couche (3) également plane mais du même premier type de conduction que le substrat (1), ladite première couche (2) formant avec la seconde couche (3) un premier plan de jonction P-N à propriétés électrolumines- centes (J1) et avec le substrat (1) un second plan de jonc- tion P-N à propriétés isolantes (J2), lesdites diodes (Jil' J12,...) étant reliées à des connexions de commande (6,7) situées à la surface dudit dispositif par des électrodes (4) en contact avec chacune desdites douches (2,3), disposi- tif caractérisé en ce que les diodes électroluminescentes sont circonscrites par des régions semi-isolantes (5) d'é- paisseur au moins égale à la somme des épaisseurs desdites couches (2,3) et en ce que les connexions de commande (6, 7) en surface sont situées essentiellement au-dessus des- dites régions semi-isolantes (5). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde couches (2,3) à partir desquelles est formé le premier plan de jonction P-N à pro- priétés électroluminescentes (J 1) sont constituées du même matériau. 3.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde couches (2,3) à partir desquelles est formé le premier plan de jonction P-N à pro- priétés électroluminescentes (J1) sont constituées de ma- tériaux de même maille cristalline. 4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde couches (2,3) à partir desquelles est formé le premier plan de jonction P-N à pro- priétés électroluminescentes (J1) sont constituées de -10- matériaux de mailles cristallines différentes et en ce que, entre le substrat et ladite première couche plane a été déposée une couche adaptatrice de mailles. 5.- Dispositif selon les revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que le substrat (1) est en arséniure de gal- lium et en ce que les couches (2,3) qui le recouvrent sont choisies dans la série arséniure de gallium et arséniure de gallium et d'aluminium. 6.- Dispositif selon les revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que le substrat (1) et les couches (2,3) qui le recouvrent sont en phosphure de gallium GaP. 7.- Dispositif selon les revendications 1 et 4, carac- térisé en ce que le substrat (1)-.est en phosphure de gal- liumGaP et en ce que les couches (2,3) qui le recouvrent sont en phosphure arséniure de gallium GaAsP. 8.- Procédé de réalisation d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 7, selon lequel, apres avoir déposé successivement par épitaxie sur un substrat donné (1) d'un premier type de conduction une première couche plane (2) d'un second type de conduction opposé au premier puis une seconde couche plane (3) du premier type de con- duction, ladite première couche (2) formant avec la se- conde (3) une jonction P-N électroluminescente (J1) et avec le substrat (1) une jonction d'isolement (J2), on recouvre la surface de cette dernière d'une couche isolante servant ensuite de masque pour la diffusion localisée d'impuretés engendrant des électrodes de prise de contact (4) dans les- dites couches, caractérisé en ce que, à travers un masque approprié déposé sur la surface du dispositif, on rend semi-isolantes une suite de régions localisées (5) traver- sant lesdites couches (2,3) et divisant ledit dispositif en une pluralité de diodes électroluminescentes (Jll' J12.) disposées en lignes et en colonnes, les connexions métal- liques (6,7) reliées aux électrodes de contact (4) étant déposées ensuite essentiellement au-dessus desdites régions semi-isolantes (5) dans une configuration similaire à celle -11- desdites diodes électroluminescentes (Jll' J12'') et iso- lées convenablement au moins aux endroits o elles se croisent. 9.Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les régions (5) qui limitent l'étendue des diodes électroluminescentes (J1 J12'...) sont rendues semi- isolantes par une implantation d'ions à travers un masque approprié. 10.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les régions (5) qui limitent l'étendue des diodes électroluminescentes (Jll' J12'...) sont rendues semi- isolantes par un bombardement de protons à travers les ou- vertures pratiquées dans un masque de polyimide. Ili Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les régions (5) qui limitent l'étendue des diodes électroluminescentes (J1, J12'...) sont rendues semi- isolantes par un bombardement de protons à travers les ou- vertures pratiquées dans un masque d'or.