Brevet FR2573897A1 — publié le 19860530

"MATRICE DE DIODES ELECTROLUMINESCENTES ET SON PROCEDE DE FABRICATION" La présente invention a pour objet une matrice de diodes électroluminescentes comportant au moins une cou- che active en matériau III-V d'un premier type de conducti- vité et une couche superficielle d'injection en matériau III-V du second type de conductivité opposé et des zones semi-isolantes disposées au moins suivant des colonnes et s'étendant sur l'épaisseur de la couche d'injection et de la couche active de manière à séparer au moins partiellement dans lesdites couches les diodes individuelles et à recevoir au moins une partie des contacts conducteurs. Une telle matrice est connue de la demande de brevet français au nom de la Demanderesse, déposée le 6 oc- tobre 1980 sous le n 80 21346 et intitulée "DISPOSITIF SE- MICONDUCTEUR A DIODES ELECTROLUMINESCENTES LOCALISEES ET SON PROCEDE DE FABRICATION". Cette demande décrit une matrice de diodes pour laquelle les contacts reliant ligne par ligne une électrode des diodes et l'autre électrode colonne par colonne sont disposés sur une face et présentent des languettes de contact situées au-dessus des régions actives d'émission. Cette disposition ne convient que pour des diodes intrinsé- quement de grandes dimensions pour lesquelles la perte de lumière dûe aux languettes de contact n'est pas trop impor- tante. Selon l'invention, les contacts sont disposés sur deux faces opposées de la matrice et celle-ci présente une couche de localisation enterrée qui permet de limiter la zone d'émission de chaque diode. Les contacts peuvent alors être disposés en dehors de la zone d'émission, donc sans perte de rendement, et sur une partie substantielle, et ou le cas échéant, sur tout le pourtour de chaque diode. La ma- -2- trice selon l'invention est dans ce but caractérisée en ce que chaque zone semi-isolante s'étend depuis la surface de la couche d'injection jusqu'à une zone de localisation en ma- tériau III-V de composition binaire et du second type de con- ductivité, les zones de localisation présentant en section transversale chacune une partie supérieure et une partie infé- rieure, les parties supérieures délimitant un réseau à deux dimensions d'alvéoles remplies par des prolongements de la couche active, et les parties inférieures étant espacées par régions semi-conductrices de contact électrique à niveau de dopage élevé du premier type de conductivité, disposées paral- lilement aux lignes de manibre à interconnecter les diodes li- gne-par ligne au niveau desdits prolongements et en ce qu'elle comporte, sur la couche d'injection, des métallisations de contact électrique comprenant, pour chaque diode, des régions de contact délimitées intérieurement sensiblement jusqu'à l'aplomb des parties supérieures des zones de localisation et interconnectées colonne par colonne, les colonnes d'intercon- nexion ainsi constituées étant isolées électriquement les unes par rapport aux autres par les zones semi-isolantes disposées selon les colonnes. Les couches actives et d'injection peuvent &tre de composition binaire ou ternaire. L'invention s'applique tout particulièrement au cas o la composition binaire est le GaAs et la composition ternaire le Ga A1 As. Selon un mode préféré, les zones semi-isolantes s'étendent également selon les lignes de manibre à produire une isolation électrique optimale entre les diodes adjacen- tes. L'invention concerne également un procédé de fa- brication de la matrice précitée. Dans ce procédé, conformément à l'art antérieur précité, une couche d'injection et une couche active du type III-V sont réalisées par hétéroépitaxie sur un substrat, et -3- les diodes individuelles sont séparées au moins partielle- ment en bombardant des régions délimitées pour former au moins des colonnes de zones semi-isolantes sur l'épaisseur de la couche d'injection et de la couche active. Le procédé de l'art antérieur conduit à une structure dont les inconvénients ont été mentionnés plus haut. Le procédé selon l'invention met en oeuvre des opéra- tions de décapage de certaines couches épitaxiées permettant d'enterrer des lignes de contact et des zones de localisa- tion, ces dernières limitant l'émission lumineuse à des ré- gions pour lesquelles la lumière émise n'est pas absorbée par des contacts électriques déposés, d'o un rendement op- timal. Dans ce but, le procédé comporte les étapes sui- vantes: - dépôt épitaxique sur le substrat d'une premiè- re couche III-V de composition binaire forte- ment dopée d'un premier type de conductivité. - décapage dans ladite première couche d'un pre- mier groupe d'ouvertures disposées parallèle- ment aux lignes selon un pas donné, les par- ties subsistantes de la premiere couche for- mant des régions semi-conductrice de contact électrique interconnectant les diodes ligne par ligne. - dépôt épitaxique d'une deuxième couche III-V de composition binaire du second type de con- ductivité. - dans le but de former une couche de localisa- tion, décapage dans ladite deuxième couche III-V d'un second groupe d'ouvertures formant un réseau à deux dimensions décalé selon les lignes d'un demi-pas par rapport à celles du premier groupe, lesdites ouvertures de la deuxième couche étant ménagées à une partie supérieure de la couche de localisation qui - 4- recouvre en partie lesdites régions semi-conductrices de contact électrique. - dépôt épitaxique successivement de la couche active du premier type de conductivité et de la couche d'injection du second type de con- ductivité. - réalisation dudit bombardement, - réalisation de métallisations de contact élec- trique sur la couche d'injection lesquelles comportent pour chaque diode d'une part des régions de contact s'étendant intérieurement parallèlement aux lignes sensiblement jusqu'à l'aplomb des parties supérieures de la couche de localisation et interconnectées colonne par colonne, les colonnes d'interconnexion ainsi constituées étant isolées électriquement les unes par rapport aux autres par les zones se- mi-isolantes disposées selon les colonnes L'étape de bombardement peut être telle qu'elle forme également des lignes de régions semi-isolantes de ma- nière à produire une isolation électrique optimale entre les diodes adjacentes. La couche de composition binaire est avantageu- sement en As-Ga. Les couches actives et d'injection peuvent être de composition binaire, par exemple As-Ga, ou ternaire, par exemple GaAlAs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les figures,qui représentent: Les figures la à le, en coupe verticale, et pour les figures la et lc en perspective, les différentes étapes du procédé de fabrication; la figure 2, une vue de dessus de la figure le; et la figure 3, une variante de la figure 2. Selon la figure la, un substrat 1 en GaAs semi- isolant ou bien de type n est revêtu par épitaxie liquide 257'897 d'une couche 2 de GaAs de type p+ (dopée de l'ordre de 1019 cm -3 et d'une épaisseur eo de l'ordre de 4 à 6 microns. On dépose sur cette couche un masque dans lequel ont été ménagées des ouvertures disposées selon des lignes sensiblement équidistantes de pas donné de manière à permettre par décapage à l'aide d'une solution dont la composition en volume est de l'ordre de 96 H2504 -2H202 -2H2O, la réalisation d'ouvertures 3. Les parties subsistantes 4 de la couche 2 constituent des régions conductrices disposées selon des lignes. Selon la figure lb, on réalise ensuite par épi- taxie le dépôt d'une couche 5 en Ca As de type n (dopage de l'ordre de 0l17cm3), d'une surépaisseur el d'environ 2 à 4 microns. Selon la figure lc, cette couche 5 est revêtue d'un masque dans lequel ont été ménagées des ouvertures for- mant un réseau à deux dimensions lequel est, selon les li- gnes, de même pas que pour la figure la, mais décalé latéra- lement d'un demi-pas. A l'aide d'une solution de H2584 -H202 - H20 telle que mentionnée ci-dessus, on décape des ouvertu- res 6. Il subsiste alors de la couche 5 un réseau à deux di- mensions de zones de localisation espacées les unes des au- tres et comprenant selon les lignes et les colonnes chacune une partie supérieure 7 et une partie inférieure 8. Selon la figure ld, on réalise par épitaxie une couche active 10 en Gao,65 A1 0,35As de type p d'une suré- paisseur e2 de 4 à 8 microns environ (dopage de 1 à 41018cm-3) puis une couche d'injection 12 en GaO,3 A10,7As de type n d'épaisseur e3 égale à 4 à 5 microns environ, ceci convenant pour une émission dans le rouge (environ 650nm). Selon la figure le, on réalise un bombardement de protons à travers un masque en polyimide ou bien encore mé- tallique par exemple en or, de manière à rendre semi-isolan- tes des zones 14 disposées en lignes et en colonnes. Ces zo- nes 14 réalisent la séparation entre les diodes individuel- les de la matrice. Elles s'étendent depuis la surface de la -6- couche 12 jusqu'au niveau des parties supérieures 7 des zo- nes de localisation. La connexion ligne par ligne des diodes étant réalisée par les régions semi-conductrices fortement dopées 4, on réalise des métallisations 19, 20 destinées à connec- ter les diodes colonne par colonne. La partie active du con- tact au niveau de chaque diode est constituée latéralement par la région 19' et transversalement par la région 20 (voir fig. 2) ces repères désignant des régions de métallisation en surplomb des zones de localisation 9. Ces régions actives 19' et 20 s'étendent intérieurement parallèlement à la di- rection des lignes et des colonnes jusqu'à l'aplomb du bord 9' des zones de localisation 9. A la figure 2 constituant un mode de réalisation préféré on a représenté en pointillé le contour des zones semi-isolantes 14. A chaque pas, les bandes longitudinales présentent des bandes transversales 19 situées sur les zones semi-isolantes 14 disposées selon les lignes et qui se pro- longent latéralement de part et d'autre par lesdites régions actives 19', de manière à réaliser ladite connexion des dio- des colonne par colonne. La structure ainsi obtenu se définit alors sur le plan fonctionnel de la manière suivante. Comme mentionné ci-dessus, les régions semi-con- ductrices fortement dopées 4 interconnectent les zones acti- ves 10, 11 des diodes ligne par ligne sur la face inférieure de la matrice alors que les métallisations 19, 20 intercon- nectent les zones d'injection de celles-ci colonne par co- lonne sur la face supérieure ou face d'émission de la matri- ce, la prise de contact s'effectuant pour chaque diode dans les régions actives 19' et 20 entourant une ouverture 21 à l'aplomb des ouvertures 6 et de même dimensions (L1 parallè- lement aux colonnes.et L2 parallèlement aux lignes). Les mé- tallisations 19, 20 sont de ce fait situées en dehors de la zone active d'émission lumineuse de chaque diode, laquelle est délimitée par les zones de localisation 7, 9. Dans la -7- direction des colonnes, les zones semi-isolantes 14 permet- tent d'isoler électriquement les unes des autres les métal- lisations reliant les diodes colonne par colonne. En ce qui concerne les caractéristiques dimen- sionnelles de la matrice, l'épaisseur e0 de la couche 2 dé- pend (toutes choses égales par ailleurs) de la résistance série admissible. La largeur 11 des zones 8 est de préféren- ce aussi réduite que possible, d'une part parce qu'elles ne remplissent qu'une fonction d'isolement électrique entre les régions 4 adjacentes (diode en inverse) et d'autre part par- ce que la couche de localisation 7 n'ayant pas besoin d'a- voir une épaisseur supérieure à quelques microns, il ne se produit lors de l'épitaxie qu'une compensation imparfaite du gradin produit par les ouvertures 3, se traduisant par des inégalités de niveau à la surface de la couche 5 qu'il est préférable de ne pas trop accentuer. On notera que ces iné- galités de niveau sont sans influence sur le fonctionnement car intervenant à des endroits o les couches ultérieurement déposées sont rendues par la suite semi-isolantes. La surépaisseur e2 de la couche 10 et l'épais- seur e3 de la couche 12 ainsi que le dopage de celles-ci sont choisis de manière classique. La largeur 12 des zones semi-isolantes 14 situées dans la direction des lignes est choisie de manière à assurer un bon isolement électrique en- tre les diodes, et leur largeur 13 dans la direction des co- lonnes pour qu'une isolation satisfaisante entre les métal- lisations puisse être obtenue. De même la largeur 14 et 15 des régions actives respectivement 19' et 20 des métallisa- tions doit être suffisante pour une bonne prise de contact; ce critère est aisé à satisfaire sans augmentation notable de l'écart entre les diodes étant donné que le contact a lieu sur tout le pourtour. En ce qui concerne les prises de contact, celles-ci sont obtenues à la face supérieure sur des plages 23 situées en bout de colonne à l'extrémité des métallisa- tions 19, 20. En ce qui concerne les régions conductrices 4, ?389? - 8 - la prise de contact est avantageusement obtenue àa l'extr&- mité de chaque ligne a travers des ouvertures ménagées de manière connue en soi A partir d'une des faces de la matri- ce. A titre d'exemple, et pour un pas du réseau de diodes de 50 X 100 microns au pas de 190 microns parallle- ment aux lignes, et de 150 microns selon les colonnes; avec Li = 50 /u et L2 = 100/u on pourra prendre li = /u,12 = 13 = 30/u, 14 = 35/u, et 15 = 30/u, la distance d séparant les métallisations des colonnes adjacen- tes étant alors égale à 13 soit 30/u. Selon la variante de la figure 3, chaque métal- lisation comporte une seule bande longitudinale 20 située sur les zones semi-isolantes 14 disposées selon les colon- nes. A chaque pas, la bande 20 est prolongée par une bande transversale 22 de manière à entourer chaque diode indivi- duelle sur tois côtés d'une ouverture 21' située à l'aplomb de l'ouverture 6 correspondante et de même dimensions que celle-ci. On remarquera que dans ce mode de réalisation, on n'a pas représenté de zones semi-isolantes 14 disposées se- lon les lignes. Une telle suppression pourrait être égale- ment effectuée dans le cas des figures précédentes. En ef- fet, la seule fonction des zones semi-isolantes 14 disposées selon les lignes est d'apporter une isolation électrique op- timale entre les diodes adjacentes. En fait, cette isolation n'est pas une nécessité absolue, et ce pour deux raisons. D'une part, la couche de localisation 7 d'une diode donnée dirige perpendiculairement au plan du substrat les lignes de courant entre la région 4 formant contact de ligne et la mé- tallisation 19, 20 formant contact de colonne de la diode considérée, et d'autre part le chemin de fuite entre le con- tact de ligne 4 et une métallisation adjacentes est assez long du fait que le pas des diodes de la matrice est beau- coup plus important que la surépaisseur e2-de la couche 10 et l'épaisseur e3 de la couche 13 à travers lesquelles la conduction normale s'effectue. De ce fait, l'émission des -9- zones semi-isolantes 14 disposées selon les lignes ne peut en- traener au pire qu'un faible éclairement parasite de deux dio- des adjacentes à une diode normalement éclairée. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisa- tion décrits et représentés. Ainsi, on pourra réaliser des couches actives et/ou des couches d'injection de composition binaire, par exemple en AsGa, ainsi qu'il est d'ailleurs connu. 2557389? - 10 - REVENDICATIONS: 1. Matrice de diodes électroluminescentes compor- tant au moins une couche active (10) en matériau III-V d'un premier type de conductivité et une couche superficiel- le d'injection (12) en matériau III-V du second type de con- ductivité opposé et des zones semi-isolantes (14) disposées au moins selon des colonnes et s'étendant sur l'épaisseur de la couche d'injection (12) et de la couche active (10) de manière à séparer au moins partiellement dans lesdites cou- ches les diodes individuelles et à recevoir au moins une partie des contacts conducteurs caractérisé en ce que chaque zone semi-isolante (14) s'étend depuis la surface de la cou- che d'injection (12) jusqu'à une zone de localisation (7, 8) en matériau III-V de composition binaire et du second type de conductivité, les zones de localisation présentant en section transversale chacune une partie supérieure (7) et une partie inférieure (8), les parties supérieures (7) déli- mitant un réseau à deux dimensions d'alvéoles remplies par des prolongements (11) de la couche active (10), et les par- ties inférieures (8) étant espacées par des régions semi-conductrices de contact électrique (4) à niveau de do- page élevé du premier type de conductivité, disposées paral- lèlement aux lignes de manière à interconnecter les diodes ligne par ligne au niveau desdits prolongements (11) et en ce qu'elle comporte, sur la couche d'injection (12) des mé- tallisations de contact électrique (19, 20) comprenant, pour chaque diode, des régions de contact (19) s'étendant inté- rieurement sensiblement jusqu'à l'aplomb des parties supé- rieures (7) des zones de localisation et interconnectées co- lonne par colonne, les colonnes d'interconnexion étant iso- lées électriquement les unes par rapport aux autres par les zones semi-isolantes (14) disposées selon les colonnes. 2. Matrice selon la revendication 1 caractérisée en ce que la couche active (10) est de composition ternaire. 3. Matrice selon une des revendications 1 ou 2 - 11 - caractérisée en ce que la couche d'injection -(12) est de composition ternaire. 4. Matrice selon une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de substrat (1) de composition binaire III-V. 5. Matrice selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la composition binaire est le GaAs et la composition ternaire, le GaAlAs. 6. Matrice selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que les zones semi-isolantes (14) s'éten- dent également selon les lignes de manière à produire une isolation électrique entre les diodes adjacentes. 7. Procédé de fabrication d'une matrice de diodes électroluminescentes selon une des revendications précéden- tes dans lequel une couche d'injection (12) et d'une couche active (10) du type III-V sont réalisées par hétéro-épitaxie sur un substrat (1) et dans lequel les diodes individuelles sont séparées au moins partiellement en bombardant des ré- gions délimitées pour former au moins des colonnes de zones semiisolantes sur l'épaisseur de la couche d'injection et de la couche active caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - dépôt épitaxique sur ledit substrat d'une pre- mière couche III-V (4) de composition binaire fortement dopée d'un premier type de conducti- vité (p) - décapage dans ladite première couche III-V d'un premier groupe de lignes d'ouvertures (3) disposées parallèlement aux lignes selon un pas donné, les parties subsistantes de la pre- mière couche formant des régions semi-conduc- trices de contact électrique(4) interconnec- tant les diodes ligne par ligne. -dépôt épitaxique d'une deuxième couche III-V (5) de composition binaire du second type de conductivité (n). - 12 - - dans le but de former une couche de localisa- tion, décapage dans ladite deuxième couche III-V d'un second groupe d'ouvertures (6) formant un réseau à deux dimensions décalé selon les lignes d'un demi pas par rapport à celles du premier groupe (3), lesdites ouver- tures (6) de la deuxième couche étant ménagées à une partie supérieure (7) de la couche de localisation qui recouvre en partie lesdites régions semi-conductrices de contacts électri- ques - dépôt épitaxique successivement de ladite cou- che active (10) d'un premier type de conducti- vité et de ladite couche d'injection (12) d'un second type de conductivité. - réalisation dudit bombardement, - réalisation de métallisations de contact élec- trique (19, 20) sur la couche d'injection (12), lesquelles comportent pour chaque diode des régions de contact (19) s'étendant inté- rieurement parallèlement aux lignes sensible- ment jusqu'à l'aplomb des parties supérieures (7) de la couche de localisation et intercon- nectées colonne par colonne, les colonnes d'interconnexion ainsi constituées étant iso- lées électriquement les unes par rapport aux autres par les zones semiisolantes disposées selon les colonnes. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape de bombardement est telle qu'elle forme éga- lement des lignes de régions semi-isolantes (14) de manière à produire une isolation électrique optimale entre les dio- des adjacentes. 9. Procédé selon une des revendications 7 ou 8; ca- ractérisé en ce que le substrat (1) est une couche de compo- sition binaire III-V, intrinsèque ou du second type de con- - 13 - ductivité (n). 10. Procédé selon une des revendications 7 à 9, ca- ractérisé en ce que la couche active (10) et la couche d'in- jection (12) ont leur composition choisie parmi le Ga-As et le GaAlAs.en GaAlAs.