Brevet FR2898434A1 — publié le 20070914

DIODE ÉLECTROLUMINESCENTE BLANCHE MONOLITHIQUE La présente invention concerne le domaine des diodes électroluminescentes, et notamment le domaine des diodes électroluminescentes monolithiques. De telles diodes sont par exemple connues de la demande US 6,445,009 dans laquelle est divulguée une diode comprenant un dispositif incluant un substrat, sur lequel est positionnée une matrice comprenant au moins un empilement de puits quantiques de type GaN ou GaInN émettant dans le visible à température ambiante dans une couche de AIN ou GaN respectivement. Dans la demande US 6,445,009, on utilise donc un système de matériaux (Al, Ga, In)N ou nitrures III-V, qui sont des semi-conducteurs à large bande interdite, et qui ont la particularité de pouvoir émettre dans l'ensemble du spectre visible. Par exemple, en mélangeant dans la zone active de la diode, c'est-à-dire dans la zone dans laquelle passe le courant de la diode, des puits quantiques ou boites quantiques InGaN/(AI)GaN émettant dans le bleu et d'autres émettant dans le jaune, on obtient une lumière blanche. Il est par ailleurs reconnu que les nitrures III-V sont des matériaux efficaces pour la production de diodes électroluminescentes monolithiques. Toutefois, il est connu que le rendement des émissions par pompage électrique varie selon la longueur d'onde émise, et en particulier, que le rendement dans le bleu est deux fois meilleur que le rendement dans le jaune. C'est pour cela que les diodes bleues sont les plus courantes sur le marché aujourd'hui. Le rendement lumineux dans les diodes émettant dans le bleu et dans le jaune est donc limité par les propriétés des boîtes quantiques ou des puits quantiques émettant dans le jaune. Un premier but de la présente invention est de ne pas être limité par des rendements lumineux par injection électrique pour des longueurs d'onde différentes. 10 Par ailleurs, il est connu que dans les diodes à injection électrique utilisant des boîtes quantiques ou des puits quantiques, la répartition des électrons et des trous dans les boîtes quantiques ou les puits quantiques est modifiée en fonction de la tension appliquée à la diode. La couleur émise peut donc varier avec 15 l'intensité du courant électrique. Cette caractéristique peut être utile si l'on désire réaliser des diodes pouvant changer de couleur, mais elle est un inconvénient pour une émission dans le blanc pour des usages destinés à 20 l'éclairage. Un deuxième but de la présente invention est donc d'éviter la variation de l'émission colorée en fonction de l'intensité du courant de la diode. 25 Dans le domaine des diodes non monolithiques, on utilise beaucoup des diodes blanches constituées d'une première partie monolithique émettant dans le bleu (diode bleue), au-dessus de laquelle on positionne un matériau phosphorescent qui absorbe 30 une partie des photons bleus émis par la diode bleue et réémet des photons jaunes, la combinaison de ces deux lumières fournissant une lumière blanche.5 Toutefois, ces diodes en deux parties de type diode standard bleue û phosphore possèdent d'une part l'inconvénient que le phosphore positionné au-dessus de la diode bleue entraîne une dégradation des performances générales du dispositif au cours du temps. Ceci conduit à une dégradation de la couleur blanche au cours du temps et à une limitation de la durée de vie de la DEL blanche par rapport à une DEL bleue standard. D'autre part, on comprend que la fabrication d'une telle DEL blanche nécessite une première étape classique de croissance par épitaxie de la DEL bleue, et une étape supplémentaire de dépôt du phosphore. Cette étape supplémentaire de dépôt induit donc des coûts de production plus importants. Un autre but de la présente invention est donc de réaliser une diode blanche par seule croissance épitaxiale, c'est-à-dire une diode monolithique. Un autre but de la présente invention est de réaliser une diode blanche dont les propriétés d'émission sont stables dans le temps. Au moins un de ces buts est atteint selon la présente invention par un dispositif comprenant une matrice de nitrure III-V, ladite matrice comprenant au moins une première portion active dans laquelle passe un courant électrique, et au moins une seconde portion passive dans laquelle ne passe pas de courant électrique, ladite matrice comprenant au moins une première zone comprenant un premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V, ladite première zone étant positionnée dans ladite première portion active, et au moins une seconde zone comprenant un deuxième empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V, caractérisé en ce que ladite seconde zone est positionnée dans ladite portion passive de ladite matrice. Selon l'invention, la première zone comprenant un premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V forme un premier confinement quantique et la seconde zone comprenant un deuxième empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V forme un second confinement quantique. En positionnant la deuxième zone de confinement quantique dans la portion passive de la matrice monolithique, la présente invention résout donc les problèmes liés aux différences d'émission en fonction des courants qui traversent deux zones quantiques différentes dans les diodes connues. Ainsi, dans le dispositif selon la présente invention, la deuxième zone de confinement quantique positionnée dans la zone passive sera en fait pompée optiquement par les photons émis par la première zone de confinement quantique, cette dernière étant elle-même pompée électriquement par le courant de la diode passant dans la zone active. Le pompage optique de la seconde zone dans la portion passive de la matrice du dispositif permet alors d'éviter les inconvénients liés au pompage électrique, et notamment la dépendance de l'émission avec l'intensité du courant. Par ailleurs, la constitution monolithique de la matrice comprenant la zone passive et la zone active en un matériau nitrure III-V,30 permet de réaliser le dispositif selon l'invention par une seule étape de croissance épitaxiale. La répartition des éléments nitrure III-V dans la matrice est faite selon l'invention de sorte que ladite première zone forme un confinement quantique, et que la seconde zone forme un confinement quantique, c'est-à-dire que la partie de matrice entre ces zones forme une barrière quantique entre ces zones. Ceci est réalisé de façon connue en soi en choisissant les matériaux nitrure III-V en fonction des bandes interdites de ces matériaux. Afin de pouvoir adapter notamment la couleur de la lumière émise par la première zone, ladite au moins une première zone est apte à émettre des photons à au moins une première longueur d'onde par injection électrique par ledit courant passant dans ladite zone active, ladite au moins première longueur d'onde étant déterminée par les dimensions dudit premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V et la composition dudit premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V. De la même façon, ladite au moins seconde zone est apte à émettre des photons à au moins une seconde longueur d'onde par pompage optique par lesdits photons émis par ladite première zone, ladite au moins une seconde longueur d'onde étant déterminée par les dimensions dudit second empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V et la composition dudit second empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V.30 Afin de produire une lumière blanche, et notamment pour des applications à l'éclairage, ladite première zone et ladite seconde zone sont choisies de sorte que la combinaison du signal lumineux correspondant aux photons à ladite première longueur d'onde et du signal lumineux correspondant aux photons à ladite seconde longueur d'onde produise une lumière sensiblement blanche. Afin de bénéficier d'un bon rendement des émissions de lumières, ladite au moins une première zone est apte à émettre des photons dans le bleu par injection électrique par ledit courant passant dans ladite zone active. Dans ce cas, afin d'obtenir une lumière blanche en sortie du dispositif, ladite au moins une seconde zone est apte à émettre des photons dans le jaune par pompage optique par lesdits photons émis par ladite première zone. L'émission dans le jaune permet notamment de n'utiliser qu'un empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques. Selon un autre mode de réalisation, permettant d'améliorer la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs tout en obtenant une lumière blanche en sortie du dispositif, ladite au moins une seconde zone est apte à émettre des photons dans le vert et dans le rouge par pompage optique par lesdits photons émis par ladite première zone.30 Selon une variante de l'invention, ladite première zone est constituée d'un empilement de puits quantiques de type InGaN/GaN. Dans ce mode de réalisation de l'invention, ladite seconde zone est constituée d'un empilement de plans de boîtes quantiques de type GaN/AIN. Afin de permettre le passage du courant vers la première zone active tout en réalisant le confinement quantique de la première zone active, ladite matrice de nitrure III-V comprend une troisième portion conductrice formant barrière quantique pour ladite première zone. L'invention concerne également une diode électroluminescente comprenant un dispositif tel que précédemment décrit, et des moyens de génération dudit courant, lesdits moyens de génération dudit courant étant agencés de sorte à définir ladite première portion active dans laquelle passe ledit courant électrique, et ladite seconde portion passive dans laquelle ne passe pas ledit courant électrique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente un exemple de diode électroluminescente selon la présente invention ; - la figure 2 représente un diagramme chromatique pour les choix des composants dans une diode électroluminescente selon la FIG. 1 ; - la figure 3 représente la longueur d'onde d'émission en nanomètre dans un puit quantique AIN/GaN/AIN ou pour une boîte quantique AIN/GaN/AIN utilisable dans un dispositif tel que celui de la figure. 1; - la figure 4 représente la longueur d'onde d'émission pour une couche épaisse de Ga1_XIn,N utilisable dans le dispositif de la figure 1 ; - la figure 5 représente la longueur d'onde d'émission pour des puits de Gao.81n0.2N utilisables dans le dispositif de la figure 1; - la figure 6 représente un autre exemple de réalisation d'une diode électroluminescente selon l'invention ; - la figure 7 représente encore un autre exemple de réalisation d'une diode électroluminescente selon l'invention. Comme illustré sur la figure 1, une diode électroluminescente 1 selon l'invention comprend un substrat 7 sur lequel est formée une matrice 13 comprenant différentes portions qui seront décrites plus en détail par la suite. La matrice 13 comprend d'abord une portion active conductrice de courant électrique, et en particulier de lignes de courant 11. Ce courant électrique est généré par des moyens de génération de courant, par exemple par des contacts métalliques sous la forme d'une borne positive 10A, d'une borne négative 10B, et d'un contact semi-transparent 10C. La portion active de la matrice 13 est donc définie comme la portion de la matrice traversée par le courant émis par les moyens de génération de courant 10A, 10B et 10C. Cette portion active comprend une première zone 3 positionnée dans la portion active de sorte à être traversée par les lignes de courant 11. Cette zone 3 correspond à un confinement quantique apte à être pompé électriquement par le courant émis par les moyens de génération de courant 10A, 10B et 10C. Elle sera appelée par la suite zone d'injection électrique. Cette zone d'injection électrique 3 est par exemple constituée d'un empilement de puits quantiques de InGaN/GaN. Les caractéristiques de cette zone d'injection électrique 3 sont choisies de sorte que l'injection électrique réalisée par le courant permette l'émission de photons, par exemple bleus, comme représenté par la flèche 8. Cette zone d'injection électrique 3 est délimitée par une partie conductrice 4 de GaN dopé n, et une partie 12 de GaN dopé p. La fonction de ces parties 4 et 12 est de conduire le courant au travers de la zone confinée 3. Les moyens de génération de courant 10A, 10B et 10C, la portion active, et la zone d'injection électrique confinée quantiquement 3 forment de façon générale une diode bleue 2 dont la structure est connue en soi. Selon l'invention, la matrice 13 comprend également une portion passive que ne peuvent pas atteindre les lignes de champ électrique 11. Selon l'invention, on positionne dans cette portion passive une zone 5 confinée quantiquement. Cette zone 5 est par exemple constituée d'un empilement de boîtes quantiques de GaN/AIN. Cette zone 5 peut être pompée optiquement par les photons émis par la zone d'injection électrique 3. La zone 5 sera appelée par la suite zone de pompage optique. Par pompage optique par les photons émis par la zone d'injection électrique 3, la zone de pompage optique 5 émet des photons à une longueur d'onde différente de celle qu'elle reçoit. Plus précisément, de façon connue pour le pompage optique, la longueur des photons émis par la zone de pompage optique 5 est supérieure à la longueur d'onde des photons d'excitation qu'elle reçoit de la zone d'injection électrique 3. La portion passive comprend également une zone 6 de AIN réalisant une fonction de barrière quantique pour les boîtes quantiques GaN de la zone de pompage optique. La hauteur des boîtes quantiques GaN de la zone de pompage optique 5 est choisie de sorte que les photons 9 émis par cette zone aient une longueur d'onde sensiblement dans le jaune. Le nombre de plans de boîtes quantiques est choisi de sorte que certains photons bleus 8 traversent la zone de pompage optique 5. La zone de pompage optique 5 a alors une fonction de convertisseur passif bleu/jaune. La combinaison des photons bleus 8 émis par la zone d'injection électrique 3 et des photons jaunes 9 émis par la zone de pompage optique 5 permet alors la génération d'une lumière sensiblement blanche en sortie d'un substrat transparent 7, par exemple de saphir. Les propriétés d'émission de la zone d'injection électrique 3 et de la zone de pompage optique 5 peuvent être adaptée à la couleur désirée en modifiant les dimensions et les compositions des puits quantiques ou des boîtes quantiques d'au moins une de ces zones. En particulier, toutes les combinaisons de couleurs telles que données sur le diagramme chromatique de la figure 2 sont possibles. Pour un usage d'éclairage, on privilégiera une combinaison de couleurs générant une lumière blanche, mais il est entendu que des lumières colorées peuvent résulter de la combinaison des longueurs d'onde émises par la première zone d'injection électrique 3 et la seconde zone de pompage optique 5 comme décrit précédemment. En particulier, afin d'améliorer la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs obtenues, on pourra préférer à un empilement de boîtes quantiques émettant dans le jaune, la combinaison d'un premier empilement émettant dans le rouge, et d'un second empilement émettant dans le vert, ces deux empilements étant toujours, selon l'invention positionnés dans une zone passive de la matrice 13 de la diode 1. Il est par ailleurs entendu que différentes combinaisons des matériaux nitrure III-V, peuvent être utilisées dans la constitution de la matrice 13 selon l'invention en respectant les contraintes de confinement quantique pour les zones d'injection électrique 3 et de pompage optique 5. Les nitrures III-V sont GaN, InN, AIN et leurs alliages et peuvent être notés (Ga, ln, Al) - N. En particulier, on pourra utiliser des boîtes quantiques de GaN dans de l'AIN, ou bien des boîtes quantiques de GalnN dans de l'AIN, ou bien des boîtes quantiques de GalnN dans de l'AIGaInN. On peut également utiliser des puits quantiques GalnN/GaN. Il est connu que toutes ces combinaisons respectent les conditions de confinement quantique. L'utilisation des seuls nitrures III-V pour la matrice 13 permet alors de réaliser une diode 1 en une seule étape de croissance épitaxiale, et de tirer parti des bonnes propriétés d'émission lumineuse de ces matériaux. On fournit maintenant une description détaillée d'un exemple de structure et de dimensionnement de la matrice 13 selon l'invention sous la forme du tableau 1 ci-dessous qui représente la succession des couches dans la matrice 13 selon l'invention. Composition couche Epaisseur référence typique (nm) GaN :Mg 200 12 Al0.1Ga0.9N :Mg 10 12 GaN 7.5 3 Puits quantique Gao.851no.15N 2.5 3 GaN :Si 2000 4 GaN nid 1000 4 A1N 10 5 Plan de boîtes quantiques GaN 3 5 A1N 300 6 Couche tampon GaN 30 7 Substrat saphir 350 000 7 } x5 Tableau 1 Dans le tableau 1 ci-dessus, les références de la troisième colonne correspondent aux références de la FIG. 1. La première zone d'injection électrique 3 est formée de cinq empilements de puits quantiques Gao.851n0.15N et d'une couche de GaN. La seconde zone de pompage optique est formée de vingt empilements de plans de boîtes quantiques GaN et d'une couche de AIN. L'exemple de dimensionnement et de composition du tableau 1 permet une émission dans le bleu par injection électrique de la zone 3, et une émission dans le jaune par pompage optique de la zone 5. Par ailleurs, d'autres combinaisons de compositions et de dimensionnement peuvent être réalisées par l'homme du métier, notamment à l'aide des graphiques d'émission des figures 3, 4 et 5. La figure 3 représente en effet la longueur d'onde d'émission en nanomètre dans un puits quantique AIN/GaN/AIN ou pour une boîte quantique AIN/GaN/AIN. La longueur d'onde démission dépend de la largeur du puits quantique ou du dimensionnement des boîtes quantiques, notamment de la hauteur des boîtes quantiques. La figure 4 représente par ailleurs la longueur d'onde d'émission 5 pour une couche épaisse de Ga1_XIn,N, sans effet quantique. Cette longueur d'onde dépend notamment de la composante x en ln. Enfin, la figure 5 représente la longueur d'onde d'émission pour des puits quantiques de Gao.81n0.2N dans une matrice GaN. On décrit maintenant différentes variantes de l'invention. Comme illustré figure 6, la zone de pompage optique confinée quantiquement 5 peut également être positionnée au-dessus de la 15 zone d'injection électrique confinée quantiquement 3 dans le sens de la croissance épitaxiale. Dans cette configuration, on a supprimé les contacts métalliques 10C de sorte à orienter les lignes de champ 11 en évitant une portion passive supérieure contenant la zone de pompage optique 5. En fonctionnement, la 20 zone d'injection électrique 3 est pompée électriquement par le courant selon les lignes de courant 11 de sorte à émettre des photons, par exemple dans le bleu, vers le haut du dispositif. Ces photons pompent ensuite optiquement la zone de pompage optique 5 qui réémet des photons, par exemple dans le jaune. La lumière 25 obtenue par la combinaison de ces lumières peut alors comme précédemment être une lumière blanche. Comme illustré maintenant figure 7, il est également possible de combiner les deux modes de réalisation tels que précédemment 30 décrits en une diode 1 comprenant une première zone de pompage optique confinée quantiquement 5A et une seconde zone de pompage optique confinée quantiquement 5B, toutes les deux 10 positionnées dans une portion passive de la matrice de la diode 1. La première zone de pompage optique 5A est par exemple située au-dessus de la zone d'injection électrique 3, et la seconde zone de pompage optique 5B en dessous. Comme précédemment, les moyens de génération de courant 10 A et 1OB sont agencés de sorte qu'aucun courant ne traverse la portion passive de la matrice. Les deux zones de pompage optique 5A et 5B peuvent être choisies pour émettre des photons dans la même longueur d'onde ou selon des longueurs d'onde différentes. Selon un autre mode de réalisation non représenté, il est également possible de positionner plusieurs zones d'injection électriques confinées quantiquement 3 dans la portion active de la matrice 13 traversée par un courant électrique. Dans tous les modes de réalisation, il est enfin entendu que l'homme du métier pourra adapter les paramètres d'épaisseur des zones de pompage optique ou électrique de façon à obtenir l'émission lumineuse désirée par combinaison des photons émis par les deux zones de pompage optique et électrique. Il pourra notamment réaliser une lumière blanche en utilisant l'enseignement des combinaisons de couleurs telles qu'illustrées figure 2. La combinaison d'une émission de la première zone 3 dans le bleu et de plans de boîtes quantiques émettant dans le rouge et dans le vert permet notamment d'obtenir une bonne température de couleur ainsi qu'un bon indice de rendu des couleurs. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant une matrice (13) de nitrure III-V, ladite matrice (13) comprenant au moins une première portion active (3, 4, 12) dans laquelle passe un courant électrique (1 1), et au moins une seconde portion passive (5, 6, 5A, 5B) dans laquelle ne passe pas de courant électrique, ladite matrice comprenant au moins une première zone (3) comprenant un premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V, ladite première zone (3) étant positionnée dans ladite première portion active (3, 4, 12), et au moins une seconde zone (5, 5A, 5B) comprenant un deuxième empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V, caractérisé en ce que ladite seconde zone est positionnée dans ladite portion passive de ladite matrice (5, 6). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une première zone est apte à émettre des photons au moins une première longueur d'onde par injection électrique par ledit courant passant dans ladite zone active, ladite au moins première longueur d'onde étant déterminée par les dimensions dudit premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V et la composition dudit premier empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite au moins seconde zone est apte à émettre des photons à au moins une seconde longueur d'onde par pompage optique par lesdits photons émis par ladite première zone, ladite au moins une seconde longueur d'onde étant déterminée par les dimensions dudit second empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V et la composition dudit second empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de nitrure III-V. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ladite au moins une première zone et ladite au moins seconde zone sont choisies de sorte que la combinaison du signal lumineux (8) correspondant aux photons à ladite au moins une première longueur d'onde et du second signal lumineux (9) correspondant aux photons à ladite au moins une seconde longueur d'onde produise une lumière blanche. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une première zone est apte à émettre des photons dans le bleu par injection électrique par ledit courant passant dans ladite zone active. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ladite au moins une seconde zone est apte à émettre des photons dans le jaune par pompage optique par lesdits photons émis par ladite première zone. 20 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ladite au moins une seconde zone est apte à émettre des photons dans le vert et dans le rouge par pompage optique par lesdits photons émis par ladite première zone. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite première zone est constituée d'un empilement de puits quantiques de type InGaN/GaN. 30 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite seconde zone est constituée d'un empilement de plans de boîtes quantiques de type GaN/AIN. 25 10. Diode électroluminescente comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, et des moyens de génération (10A, 10B, 10C) dudit courant, lesdits moyens de génération dudit courant étant agencés de sorte à définir ladite première portion active dans laquelle passe ledit courant électrique, et ladite seconde portion passive dans laquelle ne passe pas ledit courant électrique.