Brevet FR2902237A1 — publié le 20071214

PROCEDE DE REALISATION D'UN DISPOSITIF MICROELECTRONIQUE EMETTEUR DE LUMIERE A NANOFILS SEMI- CONDUCTEURS FORMES SUR UN SUBSTRAT METALLIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique auquel se rapporte l'invention est celui de la microélectronique et de l'optoélectronique et plus spécifiquement la réalisation d'émetteurs de lumière à base de matériaux semi-conducteurs. L'invention concerne un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur de lumière comprenant une pluralité de nanofils formés sur un substrat métallique. ART ANTÉRIEUR La réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière, par exemple de type LED (LED pour Light Emitting Device ou dispositif électroluminescent) peut être effectuée, de manière courante, à l'aide d'épitaxies successives de plusieurs couches minces de matériaux semi-conducteurs. Des substrats à base de saphir, ou des substrats à base de carbure de silicium sont généralement utilisés pour former ce type de dispositif. La taille de ces substrats est souvent inférieure à 3 pouces (7,62 centimètres), ce qui limite le nombre de LED intégrables sur un même substrat. Par exemple, pour une LED émettant de la lumière à 450 nm, l'empilement suivant peut être réalisé : sur un substrat 1 de type saphir, une couche tampon 2 à base de GaN dopée N est formée et sert à une prise de contact inférieur 3, puis une pluralité de puits quantiques formés respectivement dans une couche à base d'InGaN et une couche à base de GaN superposées, puis une couche 5 de GaN dopé au magnésium et enfin une fine couche 6 de GaN fortement dopée P sur laquelle un contact supérieur 7 est formé (figure 1A et figure 1B). Le désaccord de maille entre le saphir (substrat) et le GaN de la couche tampon est généralement important, ce qui induit un taux de dislocations élevé dans les autres couches semi-conductrices. D'autre part, compte tenu du caractère isolant du saphir, la réalisation de la prise de contact inférieur, requiert une gravure de la couche active 4, qui alourdit le procédé de réalisation. Avec une telle disposition du contact inférieur, l'injection de courant n'est pas homogène sur la face inférieure de la diode. Par ailleurs, lorsque le dispositif est en fonctionnement la couche active 4 est susceptible d'émettre de la lumière dans toutes les directions. Le saphir (substrat) 1 étant un matériau transparent à la longueur d'onde d'émission de la diode, environ la moitié de la lumière émise en direction de la face arrière est perdue. Le substrat de saphir étant isolant électriquement, une fine couche de matériau semi-conducteur dopé est généralement formée sur ce dernier, pour pouvoir réaliser un plan de masse. La conductivité électrique de la couche qui assure le passage du courant, par exemple à base de GaN dopé N, est généralement faible. Lors du passage du courant au sein de la diode, il en résulte un échauffement important du dispositif par effet joule. Cet échauffement important dû à une mauvaise dissipation de la chaleur par le substrat 1 (la conductivité thermique des substrats de saphir étant généralement de l'ordre de 35 à 40 W/mK), peut induire des dégradations rapides du matériau et diminuer la fiabilité de la couche active de la LED. Un tel type d'échauffement peut diminuer les propriétés électriques de la couche active et détériorer le rendement de la LED. Dans le document WO 02/080208 Al la réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de rayons lumineux comportant des nano-fils que l'on fait croître sur un support a été envisagée. Le document US 2003/01 68964 Al présente quant à lui un procédé de réalisation d'une LED formé de nano-fils réalisés sur un substrat conducteur semi- transparent. Dans ce procédé, la croissance des nanofils s'effectue sur une couche conductrice semi-transparente de type 110 (110 pour Indium Tin Oxide) ou à base de ZnO. Les performances électriques et en termes de rendement d'un tel dispositif peuvent s'avérer insuffisantes. Il se pose le problème de trouver un nouveau dispositif microélectronique émetteur de lumière à nano-fils semi-conducteurs ainsi qu'un nouveau procédé de réalisation d'un tel dispositif. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière, comprenant les étapes de : a) croissance sur un support métallique d'une pluralité de fils à base d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs susceptibles d'émettre un rayonnement lumineux, b) formation d'au moins une zone de contact conductrice de l'électricité sur au moins un desdits fils. Selon une possibilité, le support peut comprendre un substrat à base d'un métal ou d'un alliage métallique, le métal ou l'alliage métallique comprenant au moins un des matériaux suivants : fer, nickel, aluminium, argent, cuivre, inox, invar . Les fils formés à l'étape a) peuvent être en contact avec le substrat. Selon une variante, pour laquelle le substrat est recouvert d'une fine couche conductrice ou semi-conductrice, les fils formés à l'étape a) peuvent être en contact avec ladite fine couche. Ladite fine couche peut être prévue pour réfléchir ledit rayonnement lumineux. Le procédé peut également comprendre, préalablement à l'étape a), le dépôt d'une couche de matériau catalyseur sur le support métallique. Le procédé peut également comprendre, entre l'étape a) et l'étape b), la formation d'une couche isolante d'encapsulation des fils. 4 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1A-1B, illustrent, un dispositif microélectronique de type LED selon l'art antérieur, respectivement suivant une vue en coupe et suivant une vue de dessus ; - les figures 2A à 2D, illustrent un procédé suivant l'invention de réalisation d'un dispositif microélectronique de type LED doté de nano-fils formés sur un substrat métallique ; - la figure 3, illustre une variante de procédé suivant l'invention de réalisation d'un dispositif microélectronique de type LED doté de nano-fils formés sur un substrat métallique ; Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de procédé de réalisation suivant l'invention d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière (LED), va à présent être donné en liaison avec les figures 2A-2D. Le matériau de départ du procédé est un substrat 100, qui peut être à base d'un métal par exemple tel que de l'aluminium ou de l'argent ou du cuivre, ou d'un alliage métallique par exemple à base d'aluminium ou d'argent ou de cuivre ou tel que de l'inox ou de l'invar (marque déposée par la société Goodfellow). Le substrat métallique 100 peut avoir une épaisseur comprise par exemple entre 10 pm et 10 mm, ou par exemple de l'ordre de 1 mm, et une surface par exemple comprise entre 100 mm2 et 1 m2, ou par exemple de l'ordre de 300 mm2. Une étape de préparation du substrat 100, et en particulier d'une face donnée de ce dernier en vue d'une croissance de fils à base d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs peut être réalisée à l'aide d'un traitement de surface, comprenant par exemple une étape de dégraissage du substrat à l'aide d'un solvant par exemple à base d'acétone et d'éthanol, et une étape d'élimination des rugosités par exemple à l'aide d'un polissage sur un feutre. Un matériau 101 destiné à servir de catalyseur peut être ensuite déposé sous forme d'une fine couche par exemple de l'ordre de 5 nanomètres, sur ladite face donnée du substrat 100. Le matériau catalyseur 101 peut être par exemple de l'or ou du nickel formé par évaporation. Ensuite, on fait croître sur le substrat 100, une pluralité de fils 102 dits nano-fils , à base d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs susceptibles d'émettre un rayonnement lumineux. Les nano-fils 102 peuvent être réalisés par par épitaxie. Les nano-fils 102 sont destinés à croître dans une direction réalisant un angle non nul, par exemple dans une direction orthogonale avec le plan principal du substrat 100 (le plan principal du substrat 100 étant défini comme un plan passant par le substrat 100 et parallèle au plan [O;1;k] d'un repère orthogonal [ 0 ; 1 ; j ; k ] sur la figure 2A). Les nano-fils 102 que l'on fait croître peuvent être formés d'une ou plusieurs portions comportant du nitrure de Gallium ou un composé à base de nitrure de Gallium. Pour cela, le substrat 100 métallique peut être placé par exemple dans une chambre d'un réacteur de type MOCVD (méthode de dépôt chimique en phase vapeur de matériau semi-conducteur ou de métal à partir de matériaux organiques). Le substrat 100 est porté à haute température par exemple de l'ordre de 500 à 800 C pour mettre le matériau catalyseur 101 sous forme de gouttelettes et le rendre actif. Ensuite, un ou plusieurs précurseurs sont introduits dans la chambre de réaction. Pour réaliser une première portion 104 des fils 102 à base d'un premier matériau, par exemple du GaN dopé N en contact avec le substrat métallique 100, des précurseurs tels que du triméthylGallium et de l'ammoniac peuvent être par exemple injectés dans la chambre du réacteur. Le dopage de type N de la première portion 104 peut être réalisé à l'aide d'une injection de silane. Pendant la croissance des nano-fils 102, la température du substrat 100 peut être comprise par exemple entre 500 C et 1000 C. La composition chimique des nano-fils 102 est destinée à varier le long de leur axe de croissance. La première portion 104 des fils quantiques de GaN dopé N, peut être recouverte par exemple par une deuxième portion 106 dans laquelle des puits quantiques, à base de InGaN et du GaN peuvent être formés. La deuxième portion peut être recouverte par une troisième portion 108, par exemple à base de GaN dopé P, elle même recouverte par une quatrième portion 110 à base de GaN dopé P++, et servant par exemple à la prise de contact(s). Le dopage de type P peut être réalisé par exemple par injection d'un organométallique à base de Mg. Une fois les nano-fils 102 formés, l'extrémité de ces derniers peut être recouverte du matériau catalyseur 101. Les nanofils 102 obtenus peuvent avoir un diamètre (mesuré dans une direction parallèle au vecteur i du repère orthogonal [O;1;j;k]) compris par exemple entre 5 nanomètres et 500 nanomètres et une longueur comprise par exemple entre 100 nanomètres et 10 micromètres (mesurée dans une direction parallèle au vecteur j du repère [0;1;j; k]). La variation de composition chimique le long des fils 102 est obtenue par variation au cours du procédé de croissance de la composition chimique et de la concentration des gaz introduits dans le réacteur, combinée à une variation de la température à laquelle le substrat 100 est placé (figure 2A). Une couche d'encapsulation peut être ensuite formée sur le substrat 100, et de part et d'autre des nano-fils 102, de sorte que les nano-fils 102 sont insérés dans la couche d'encapsulation 115. Une partie des nano-fils 102, par exemple une partie de la quatrième portion 110 de ces derniers, dépasse de la couche d'encapsulation 115. La couche d'encapsulation 115 peut être à base d'un matériau diélectrique choisi de manière à conférer une bonne planéité. La couche d'encapsulation 115 peut être par exemple à base de benzocyclobutène (BCB) ou de polystyrène et peut être réalisée par exemple par dépôt. Ensuite, un contact supérieur 120 peut être formé sur la couche d'encapsulation 115, de manière à recouvrir l'extrémité des fils dépassant de la couche d'encapsulation 115. Le contact supérieur 120 peut être formé par exemple par dépôt d'une couche d'un matériau conducteur de l'électricité et semi-transparent comme de l'ITO (110 pour Indium Tin Oxyde), ou d'une fine couche de Ti par exemple de l'ordre de 5 nanomètres recouverte par une autre fine couche d'Au par exemple de l'ordre de 5 nanomètres, ou d'un dépôt de nanotubes de carbone. Ensuite, un zone métallique 130 de prise de contact peut être, formée sur le contact 120. La zone métallique 130 peut être réalisée par exemple par dépôt d'une couche de Ti de l'ordre de 10 nanomètres, puis d'une couche d'or de l'ordre de 200 nanomètres, puis par gravure de ces couches, de manière à former un motif (figure 2B sur laquelle le dispositif est représenté selon une vue en coupe, et figure 2C, le dispositif étant représenté selon une vue de dessus). La zone de contact peut comporter une ou plusieurs parties 130a, 130b destinées à acheminer un courant électrique. La zone de contact peut éventuellement comporter une partie 130c prévue pour recevoir une soudure. Une couche de matériau 140 dit phosphore ou luminophore , ou/et apte à convertir une lumière quasi-monochromatique en lumière dite blanche peut être ensuite réalisée, de manière à recouvrir la zone métallique 130 de prise de contact et le contact 120. Le matériau 140 peut être par exemple un matériau YAG (YAG pour yttrium-aluminium garnet ou grenat d'yttrium-aluminium ) dopé au Cérium ou Y3A15O12 : Ce3+ (figure 2D). Le substrat 100 étant métallique, ce dernier peut être destiné à former un deuxième contact, et peut former par exemple un plan de masse. Le substrat métallique 100 est également destiné à réfléchir des rayonnements lumineux susceptibles d'être émis par les nano-fils 102. Un rayonnement lumineux émis en direction de la face arrière du dispositif, autrement dit en direction du substrat 100, peut être réfléchi et redirigé en direction de la face avant. Dans un cas où le substrat 100 est à base d'argent ou d'aluminium, la réflectivité peut être supérieure à 85 % pour des rayonnements supérieurs à 380 nm. Selon une variante (figure 3), pour améliorer le phénomène de croissance et en particulier de nucléation des nano-fils 102 à la surface du substrat 100 métallique, préalablement à l'étape de dépôt du catalyseur 101, une fine couche intermédiaire 201 par exemple à base de silicium, et qui peut être comprise par exemple entre plusieurs nanomètres et plusieurs microns, peut être formée sur le substrat métallique 100. La fine couche intermédiaire 201 peut être par exemple à base d'un alliage GaAlN, à base d'un siliciure de fer, ou du nickel, ou de l'argent, de l'aluminium, du cuivre. La fine couche intermédiaire 201 est de préférence à base d'un matériau conducteur de l'électricité. Selon une possibilité, la fine intermédiaire 201 peut jouer le rôle d'une couche réfléchissante et être prévue pour réfléchir des rayonnements lumineux destinés à être émis par les nano-fils 102. La fine couche intermédiaire peut être par exemple cristalline, amorphe ou quasi cristalline. Selon une variante de réalisation, on réalise une fine couche intermédiaire 301 semi-conductrice, par exemple à base de silicium sur la surface du substrat 100 métallique, avant le dépôt du matériau catalyseur 101. La fine couche intermédiaire 301 semi-conductrice peut être éventuellement formée après une préparation de la surface du substrat 100 par polissage mécanique et traitement de surface à l'aide d'un solvant. La fine couche intermédiaire 201 semi-conductrice peut être à base de silicium amorphe ou polycristallin. La fine couche intermédiaire 201 semi-conductrice peut être réalisée par dépôt, par exemple par PECVD (PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) ou bien dans un bâti de type MOCVD. Dans ce cas, le substrat 100 est mis dans une chambre à haute température, par exemple de l'ordre de 550 C. Puis, du Silane peut être introduit dans cette chambre avec une pression partielle qui peut être par exemple de l'ordre de 0,1 mbar, de manière à former sur la surface du substrat métallique 100, une fine couche de silicium d'épaisseur qui peut être comprise entre plusieurs nanomètres et plusieurs microns. Cette fine couche de silicium est dopée de manière à conserver la continuité électrique entre le substrat 100 et la diode. Cette couche de silicium est ensuite recouverte d'une fine couche du matériau 101 servant de catalyseur, par exemple en réalisant un dépôt par évaporation de l'ordre de 5 nm d'or ou de nickel. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière, comprenant les 5 étapes de : a) croissance sur un support métallique d'une pluralité de fils (102) à base d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs susceptibles d'émettre un rayonnement lumineux, 10 b) formation d'au moins une zone de contact conductrice (120) de l'électricité sur au moins un desdits fils. 2. Procédé de réalisation d'un dispositif 15 microélectronique émetteur de lumière selon la revendication 1, dans lequel le support comprend un substrat (100) à base d'un métal ou d'un alliage métallique, le métal ou l'alliage métallique comprenant l'un des matériaux suivants : fer, nickel, aluminium, 20 argent, cuivre, inox, invar . 3. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière selon l'une des revendications 1 ou 2, les fils (102) formés à l'étape 25 a) étant en contact avec ledit substrat (100). 4. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le substrat est 30 recouvert d'une fine couche conductrice (201), les filsformés à l'étape a) étant en contact avec ladite fine couche. 5. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière selon la revendication 3 ou 4, ladite fine couche (201) étant apte à réfléchir ledit rayonnement lumineux. 6. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant préalablement à l'étape a), le dépôt d'une couche de matériau catalyseur sur le support métallique. 7. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique émetteur de lumière selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre : entre l'étape a) et l'étape b), la formation d'une couche isolante d'encapsulation des fils.