Brevet FR2979034A1 — publié le 20130215

B11161 - 11-TO-0525FR01 1 DIODE ÉLECTROLUMINESCENTE Domaine de l'invention La présente invention concerne une diode électroluminescente et plus particulièrement une diode électroluminescente comprenant un puits quantique multiple. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant une diode électroluminescente comprenant un puits quantique multiple. Une diode électroluminescente du type de celle illustrée en figure 1 est décrite dans l'article intitulé "Fathoming efficiency droop in InGaN MQW-LEDs" du magazine en ligne Semiconductor Today (http://www.semiconductortoday.com/news items/2008/OCT/VIRGINIA 021008.htm). Au-dessus d'un substrat, par exemple un substrat de silicium, une couche 1 comprenant du nitrure de gallium (GaN), de l'arséniure de gallium (AsGa), du carbure de silicium (SiC), du phosphure d'indium (InP) ou de l'oxyde de zinc (ZnO), fortement dopé de type N, comprend une portion 3 plus épaisse que le reste de la couche. La portion 3 de la couche 1 est recouverte d'une couche 5 comprenant du GaN, de l'AsGa, du SiC, de l'InP ou du ZnO, de type N, elle-même revêtue d'un empilement 7 constitué d'une alternance de couches très minces 9 de nitrure de gallium (GaN) et de couches très minces 11 de nitrure de B11161 - 11-TO-0525FR01 2 gallium et d'indium (InGaN). L'empilement 7 de couches très minces constitue un puits quantique multiple. A titre d'exemple, l'empilement 7 de couches très minces peut être constitué de 3 à 20 bicouches de GaN et d'InGaN. Chacune des couches très minces 9 et 11 a par exemple une épaisseur de l'ordre de quelques nanomètres, par exemple comprise entre 1 et 5 nm. L'empilement 7 de couches très minces est recouvert d'une couche de nitrure de gallium 13 de type P, par exemple d'épaisseur comprise entre 0,2 et 1 }gym, par exemple 0,5 }gym. Au-dessus d'une portion de la couche 1 se trouve un contact ohmique 15. Un deuxième contact ohmique 17 se trouve au-dessus d'une portion de la couche 13 de nitrure de gallium de type P. Le contact ohmique 17 est en un matériau conducteur et transparent, par exemple de l'oxyde d'indium-étain (ITO, "Indium Tin Oxide"). Dans des diodes électroluminescentes telles que celle décrite en relation avec la figure 1, on cherche à améliorer l'extraction de la lumière qui est confinée dans les puits quantiques. Différentes techniques visant à améliorer l'extraction lumineuse dans de telles diodes électro- luminescentes existent. Une solution consiste à augmenter la rugosité de la surface supérieure de la couche de GaN de type P, pour augmenter l'émission de lumière par la surface supérieure de la diode électroluminescente. Une augmentation de la rugosité peut être obtenue en formant des îlots au-dessus de la couche de GaN de type P ou en utilisant une texturation en "tôle ondulée" de la surface de cette couche. Cependant, ces techniques ont tendance à endommager la surface supérieure de la diode électroluminescente. De plus, elles ajoutent des étapes de procédé complexes. Il existe donc un besoin d'un procédé permettant de fabriquer une diode électroluminescente de meilleur rendement lumineux par rapport aux diodes électroluminescentes du type de celle décrite en figure 1, mais n'endommageant pas la surface supérieure de la diode électroluminescente. B11161 - 11-TO-0525FR01 Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une diode électroluminescente de meilleur rendement lumineux par rapport aux diodes électro- luminescentes telles que celle décrite ci-dessus. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'une telle diode électroluminescente qui n'endommage pas sa surface supérieure. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une diode électroluminescente comprenant, au-dessus d'une portion plus épaisse d'une couche comprenant un matériau fortement dopé de type N choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc : une couche comprenant un matériau dopé de type N dudit groupe, recouverte d'un empilement constitué d'une alternance de couches très minces de nitrure de gallium et de couches très minces de nitrure de gallium et d'indium, ledit empilement étant recouvert d'une couche de nitrure de gallium de type P ; et des cavités localisées dans la couche de nitrure de gallium de type P et à la frontière entre la couche de nitrure de gallium de type P et l'empilement de couches très minces. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 25 la diode électroluminescente comprend en outre des cavités localisées dans l'empilement de couches très minces. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la diode électroluminescente comprend en outre des cavités localisées dans la couche comprenant un matériau dopé de type N 30 choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de nitrure de gallium de type P a une épaisseur de 0,2 3 B11161 - 11-TO-0525FR01 4 à 1 }gym et les couches très minces de nitrure de gallium et de nitrure de gallium et d'indium ont une épaisseur de 1 à 5 nm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les cavités ont un diamètre compris entre 3,5 et 5,5 nm. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente, comprenant les étapes suivantes : a) au-dessus d'une portion plus épaisse d'une couche comprenant un matériau fortement dopé de type N choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc, faire croître successivement, par épitaxie, une couche comprenant un matériau dopé de type N dudit groupe, un empilement constitué d'une alternance de couches très minces de nitrure de gallium et de couches très minces de nitrure de gallium et d'indium, et une couche de nitrure de gallium de type P ; et b) par implantation ionique d'espèces, générer des cavités dans la couche de nitrure de gallium de type P et à la frontière entre la couche de nitrure de gallium de type P et l'empilement de couches très minces. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape a), la croissance par épitaxie est réalisée par dépôt chimique en phase vapeur utilisant des précurseurs organométalliques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape b), on génère en outre des cavités dans l'empilement de couches très minces. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape b), on génère en outre des cavités dans la couche comprenant un matériau dopé de type N choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape d'implantation ionique, les espèces utilisées sont choisies dans le groupe comprenant He, H, Ar et Xe. B11161 - 11-TO-0525FR01 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif 5 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe illustrant une diode électroluminescente comprenant un puits quantique multiple ; les figures 2A et 2B sont des vues en coupe illustrant de manière schématique des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente ; la figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une diode électroluminescente ; la figure 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une diode électroluminescente ; et la figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une diode électroluminescente. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des composants microélectroniques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe illustrant de manière schématique des étapes successives d'un procédé de 25 fabrication d'une diode électroluminescente. La figure 2A est une vue en coupe illustrant une étape de formation d'un puits quantique multiple au-dessus d'une couche 25 comprenant du nitrure de gallium (GaN), de l'arséniure de gallium (AsGa), du carbure de silicium (SiC), du phosphure 30 d'indium (InP) ou de l'oxyde de zinc (ZnO), de type N. Sur la couche 25, on a fait croître une couche très mince de GaN 29 puis une couche très mince d'InGaN 31. On a ensuite répété cette opération afin de former un empilement de couches très minces 27 constitué de 3 à 20 bicouches de GaN et d'InGaN. Chacune des 35 couches de GaN 29 et d'InGaN 31 a par exemple une épaisseur de B11161 - 11-TO-0525FR01 6 l'ordre de quelques nanomètres, par exemple comprise entre 1 et 5 nm. L'empilement de couches très minces 27 ainsi formé constitue un puits quantique multiple. On a ensuite fait croître une couche 33 de nitrure de gallium de type P, d'une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 }gym, par exemple 0,5 }gym, sur l'empilement 27 de couches très minces. L'empilement de couches très minces 27 et la couche 33 ont été formés par épitaxie, par exemple par des techniques de dépôt chimique en phase vapeur utilisant des précurseurs organo-métalliques (MOCVD, "Metal-Organic Chemical Vapor Deposition"). La croissance par épitaxie, à l'étape illustrée en figure 2A, des différentes couches de la diode électroluminescente, est suivie d'une étape d'implantation ionique, par exemple d'hélium, d'hydrogène, d'argon ou de xénon. Par exemple, l'énergie d'implantation est de 10 à 80 keV, et la dose de 1014 à 1020 atomes/cm2, par exemple de 6.1016 atomes/cm2. Les ions sont implantés perpendiculairement à la surface supérieure de la couche 33. L'étape d'implantation ionique est suivie d'un recuit thermique rapide (RTA, "Rapid Thermal Annealing"), par exemple à une température comprise entre 800 et 1100°C, pendant 60 à 300 s, par exemple pendant 120 s. Comme l'illustre la figure 2B, l'énergie d'implantation est choisie pour qu'il se forme alors des cavités dans la couche 33 de nitrure de gallium de type P et à la frontière 32 entre la couche 33 de nitrure de gallium de type P et l'empilement 27 de couches très minces. La génération de cavités, à partir d'implantation d'hélium, dans des couches de GaN formées par épitaxie, est décrite dans l'article "Interaction between dislocations and He-implantation-induced voids in GaN epitaxial layers", Applied Plysics Letters 86, p. 211911, 2005. Les cavités formées dans la couche 33 et à la frontière 32 entre la couche 33 et l'empilement 27 ont par exemple un diamètre compris entre 3,5 et 5,5 nm. La localisation des cavités dépend de l'énergie d'implantation. B11161 - 11-TO-0525FR01 7 La génération des cavités n'endommage pas la surface supérieure de la diode électroluminescente. La demanderesse propose une diode électroluminescente obtenue par un procédé tel que décrit en relation avec les 5 figures 2A et 2B. La figure 3 est une vue en coupe illustrant une diode électroluminescente comprenant un puits quantique multiple. Au-dessus d'un substrat, par exemple un substrat de silicium, de saphir, de carbure de silicium, de phosphure 10 d'indium ou d'oxyde de zinc, une couche 41 comprenant du nitrure de gallium (GaN), de l'arséniure de gallium (AsGa), du carbure de silicium (SiC), du phosphure d'indium (InP) ou de l'oxyde de zinc (ZnO), fortement dopé de type N, comprend une portion 43 plus épaisse que le reste de la couche. La portion 43 de la 15 couche 41 est recouverte d'une couche 45 comprenant du GaN, de l'AsGa, du SiC, de l'InP ou du ZnO, de type N, elle-même revêtue d'un empilement 47 constitué d'une alternance de couches très minces 49 de nitrure de gallium (GaN) et de couches très minces 51 de nitrure de gallium et d'indium (InGaN), du type de celui 20 décrit en relation avec la figure 1. L'empilement 47 de couches très minces est recouvert d'une couche de nitrure de gallium 53 de type P, par exemple d'épaisseur comprise entre 0,2 et 1 }gym, par exemple 0,5 }gym. Un contact ohmique 55 a été formé au-dessus d'une portion de la couche 41, et un contact ohmique 57 a été 25 formé au-dessus d'une portion de la couche 53 de nitrure de gallium de type P. Le contact ohmique 57 est en un matériau conducteur et transparent, par exemple de l'oxyde d'indium-étain (ITO, "Indium Tin Oxide"). Des cavités sont localisées dans la couche 53 de 30 nitrure de gallium de type P. Les cavités peuvent être localisées à divers emplacements de la couche 53. Par exemple, les cavités peuvent être localisées uniquement à la surface de la couche 53. Des cavités peuvent éventuellement être localisées à l'intérieur de la couche 53, et éventuellement à la frontière 35 52 entre la couche 53 et l'empilement 47 de couches très minces. B11161 - 11-TO-0525FR01 8 Les cavités permettent d'augmenter la rugosité interne de la structure, sans endommager la surface supérieure de la diode électroluminescente. La localisation des cavités en surface seulement de la couche 53 de nitrure de gallium de type P présente l'avantage de minimiser la résistance d'accès du courant d'une électrode à l'autre de la diode électroluminescente. De plus, l'absence de cavité dans le puits quantique multiple 47 permet de préserver son bon fonctionnement. La figure 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une diode électroluminescente. Les éléments communs avec la figure 3 ont été désignés par les mêmes références. Seule la localisation des cavités change par rapport à la figure 3. La demanderesse propose de générer des cavités dans l'empilement 47 de couches très minces, en plus de celles générées dans la couche 53 et à la frontière entre la couche 53 et l'empilement 47. La figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une diode électroluminescente. Les éléments communs avec la figure 3 ont été désignés par les mêmes références. La demanderesse propose de générer des cavités dans au moins une partie de la couche 45, en plus des cavités générées dans la couche 53 et l'empilement 47. Eventuellement, des cavités peuvent être localisées uniquement à la surface de la couche 53 de nitrure de gallium de type P et à l'intérieur de la couche 45 de type N. Un avantage des diodes électroluminescentes telles que celles décrites en relation avec les figures 3 à 5 réside dans leur meilleur rendement lumineux par rapport aux diodes électro- luminescentes telles que celle illustrée en figure 1. Les cavités générées permettent d'augmenter la rugosité interne des matériaux constituant les diodes électroluminescentes, et donc leur rendement lumineux, par exemple de plus d'un facteur 2. REVENDICATIONS1. Diode électroluminescente comprenant, au-dessus d'une portion plus épaisse (43) d'une couche comprenant un matériau fortement dopé de type N (41) choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc : une couche comprenant un matériau dopé de type N (45) dudit groupe, recouverte d'un empilement (47) constitué d'une alternance de couches très minces de nitrure de gallium (49) et de couches très minces de nitrure de gallium et d'indium (51), ledit empilement étant recouvert d'une couche de nitrure de gallium de type P (53) ; et des cavités localisées dans la couche de nitrure de gallium de type P (53) et à la frontière (52) entre la couche de nitrure de gallium de type P (53) et l'empilement (47) de couches très minces. 2. Diode électroluminescente selon la revendication 1, comprenant en outre des cavités localisées dans l'empilement (47) de couches très minces. 3. Diode électroluminescente selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre des cavités localisées dans la couche comprenant un matériau dopé de type N (45) choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc. 4. Diode électroluminescente selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche de nitrure de gallium de type P (53) a une épaisseur de 0,2 à 1 }gym, et les couches très minces de nitrure de gallium (49) et de nitrure de gallium et d'indium (51) ont une épaisseur de 1 à 5 nm. 5. Diode électroluminescente selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les cavités ont un diamètre compris entre 3,5 et 5,5 nm. 6. Procédé de fabrication d'une diode électroluminescente, comprenant les étapes suivantes :B11161 - 11-TO-0525FR01 10 a) au-dessus d'une portion plus épaisse (43) d'une couche comprenant un matériau fortement dopé de type N (41) choisi dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc, faire croître successivement, par épitaxie, une couche comprenant un matériau dopé de type N (45) dudit groupe, un empilement (47) constitué d'une alternance de couches très minces de nitrure de gallium (49) et de couches très minces de nitrure de gallium et d'indium (51), et une couche de nitrure de gallium de type P (53) ; et b) par implantation ionique d'espèces, générer des cavités dans la couche de nitrure de gallium de type P (53) et à la frontière (52) entre la couche de nitrure de gallium de type P (53) et l'empilement (47) de couches très minces. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, à l'étape a), la croissance par épitaxie est réalisée par dépôt chimique en phase vapeur utilisant des précurseurs organométalliques. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel, 20 à l'étape b), on génère en outre des cavités dans l'empilement (47) de couches très minces. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel, à l'étape b), on génère en outre des cavités dans la couche comprenant un matériau dopé de type N (45) choisi 25 dans le groupe comprenant le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le phosphure d'indium et l'oxyde de zinc. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel, à l'étape d'implantation ionique, les espèces 30 utilisées sont choisies dans le groupe comprenant He, H, Ar et Xe.