Brevet FR3004585A1 — publié le 20141017

STRUCTURES SEMI-CONDUCTRICES DOTÉES DE RÉGIONS ACTIVES COMPRENANT DE L'INGAN RÉFÉRENCE CROISÉE À UNE DEMANDE CONNEXE [0001] L'objet de la présente demande concerne la demande de document américain n° (dossier d'avocat n° 3356-11388US (F12/0504JFD GLA)) déposée à la même date sous le nom Debray et al., et la demande de document américain n° (dossier d'avocat n° 3356-11802US (F13/0208JFD GLA)) déposée à la même date sous le nom Debray et al., dont les descriptions sont intégrées ici dans leur intégralité par le biais de la présente référence. DOMAINE TECHNIQUE [0002] La présente invention concerne des structures semi-conductrices et des 15 dispositifs électroluminescents fabriqués à partir de telles structures semi-conductrices comportant une région active comprenant de l'InGaN, des procédés de fabrication de tels dispositifs électroluminescents ainsi que des dispositifs comprenant de tels dispositifs électroluminescents. CONTEXTE 20 [0003] Les dispositifs électroluminescents tels que des diodes électroluminescentes (DELs) sont des dispositifs électriques émettant un rayonnement électromagnétique sous la forme de lumière visible lorsqu'une tension est appliquée à travers une région active de la DEL entre une anode et une cathode. Les DELs comprennent typiquement une ou plusieurs couches de matériau semi-conducteur, à l'intérieur desquelles les électrons amenés par 25 l'anode et les trous amenés par la cathode se recombinent. À mesure que les électrons et les trous se recombinent à l'intérieur de la région active de la DEL, de l'énergie est libérée sous la forme de photons émis par la région active de la DEL. [0004] La fabrication des DELS peut se faire à partir d'une large gamme de types différents de matériaux semi-conducteurs comprenant, par exemple, les matériaux semi- 30 conducteurs III-V et les matériaux semi-conducteurs II-V. La longueur d'onde de la lumière émise par n'importe quelle DEL particulière est fonction de la quantité d'énergie libérée lorsqu'un électron et un trou se recombinent. La longueur d'onde de la lumière émise par la DEL est donc fonction de la différence relative d'énergie entre le niveau d'énergie de l'électron et le niveau d'énergie du trou. Les niveaux d'énergie des électrons et les niveaux d'énergie des trous sont au moins en partie fonction de la composition des matériaux semiconducteurs, du type et de la concentration du dopage, de la configuration (c'est-à-dire de la structure et de l'orientation des cristaux) des matériaux semi-conducteurs ainsi que de la qualité des matériaux semi-conducteurs à l'intérieur desquels les électrons et les trous se recombinent. La longueur d'onde de la lumière émise par une DEL peut donc être adaptée au choix en adaptant au choix la composition et la configuration des matériaux semi-conducteurs contenus à l'intérieur de la DEL. [0005] On sait comment fabriquer dans l'art des DELs comprenant des matériaux semi-conducteurs III-V, tels que des matériaux en nitrure du Groupe III. De telles DELs au nitrure du Groupe III sont connues pour leur capacité à émettre un rayonnement dans les régions visibles du bleu et du vert du spectre de rayonnement électromagnétique ainsi que pour leur possible utilisation à une puissance et une luminosité relativement élevées. RÉSUMÉ SUCCINCT [0006] Le présent résumé est destiné à introduire une sélection de concepts sous une forme simplifiée. Ces concepts sont décrits plus en détail dans la description détaillée d'exemples de réalisation de la description suivante. Le présent résumé ne vise pas à identifier les caractéristiques principales ou les caractéristiques essentielles de l'objet 20 revendiqué ni à limiter la portée de l'objet revendiqué. [0007] Dans certains modes de réalisation, la présente invention comporte une structure semi-conductrice comprenant une couche de base de GaN ayant un plan de croissance polaire avec un paramètre de maille de plan de croissance supérieur ou égal à environ 3,189 Angstrôms. Une région active est disposée au-dessus de la couche de base, et 25 la région active comprend une pluralité de couches d'InGaN. La pluralité de couches d'InGaN comprend au moins une couche de puits d'In,Gai,N, où 0,10 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0010] La figure 1 A est une vue en côté simplifiée d'une structure semi-conductrice comprenant une ou plusieurs couches de puits d'InGaN et une ou plusieurs couches de barrière d'InGaN placées dans une région active de la structure semi-conductrice selon les 5 modes de réalisation de la présente invention. [0011] La figure 1B est un schéma simplifié illustrant les différences relatives de niveau d'énergie de la bande conductrice dans un schéma de bande d'énergie adapté aux différents matériaux présents dans les diverses couches de la structure semi-conductrice de la figure 1A. 10 [0012] La figure 2A est une vue en côté simplifiée d'une autre structure semi- conductrice similaire à la structure semi-conductrice de la figure 1A, mais comprenant en outre une couche d'arrêt des électrons située entre une région active et une couche de base de la structure semi-conductrice. [0013] La figure 2B est un schéma de bande conductrice simplifié pour la structure 15 semi-conductrice de la figure 2A. [0014] La figure 3A est une vue en côté simplifiée d'une autre structure semiconductrice similaire à la structure semi-conductrice de la figure 1A, mais comprenant en outre une couche de libération de contrainte disposée entre une région active et une couche de base de la structure semi-conductrice. 20 [0015] La figure 3B est un schéma de bande conductrice simplifié pour la structure semi-conductrice de la figure 3A. [0016] La figure 4A est une vue en côté simplifiée d'une autre structure semiconductrice similaire à la structure semi-conductrice de la figure 1A, mais comprenant en outre de minces couches de barrière de GaN supplémentaires placées à l'intérieur de la région 25 active de la structure semi-conductrice. [0017] La figure 4B est un schéma de bande conductrice simplifié pour la structure semi-conductrice de la figure 4A. [0018] La figure 5A est une vue en côté simplifiée d'une autre structure semiconductrice similaire à la structure semi-conductrice de la figure 1A, mais comprenant en 30 outre une structure de débordement de puits placée à l'intérieur de la région active de la structure semi-conductrice. [0019] La figure 5B est un schéma de bande simplifié pour la structure semiconductrice de la figure 5A. [0020] La figure 6A est une vue plane en élévation simplifiée d'une structure semiconductrice intermédiaire pouvant être utilisée pour fabriquer un modèle de croissance utilisé 5 pour la fabrication de structures semi-conductrices selon les modes de réalisation correspondant aux procédés de la présente invention. [0021] La figure 6B est une vue en côté en coupe transversale partielle de la structure semi-conductrice intermédiaire de la figure 6A. [0022] La figure 6C est une vue en côté en coupe transversale partielle d'un modèle 10 de croissance pouvant être utilisé pour fabriquer des structures semi-conductrices selon les modes de réalisation correspondant aux procédés de la présente invention. [0023] La figure 6D illustre des couches d'un empilement de croissance déposé épitaxialement sur un modèle de croissance comme celui de la figure 6C. [0024] La figure 7 est une vue en côté en coupe transversale partielle d'un dispositif 15 électroluminescent fabriqué à partir de structures semi-conductrices selon les modes de réalisation correspondant aux procédés de la présente invention. [0025] La figure 8 est une vue en côté en coupe transversale partielle d'un dispositif électroluminescent supplémentaire fabriqué à partir de structures semi-conductrices selon les modes de réalisation correspondant aux procédés de la présente invention. 20 [0026] La figure 9 est un graphique illustrant la relation entre l'efficacité quantique interne et l'énergie de contrainte totale des structures semi-conductrices formées selon les modes de réalisation correspondant aux procédés de la présente invention. [0027] La figure 10A est une vue en côté simplifiée d'une DEL connue dans l'art comprenant des couches de puits d'InGaN et des couches de barrière de GaN placées dans 25 une région active de la DEL. [0028] La figure 10B est un schéma de bande conductrice simplifié pour la DEL de la figure 10A. [0029] La figure 11A est un graphique illustrant les bords de bande calculés pour la bande conductrice et la bande de valence avec une tension nulle appliquée traversant la 30 région active de la DEL de la figure 10A, les calculs obtenus utilisant un modèle de calcul de la DEL. [0030] La figure 11B est un graphique similaire à celui de la figure 11A, mais illustrant les bords de bande calculés pour la bande conductrice et la bande de valence avec une densité de courant de 125 A/cm2 circulant à travers la région active de la DEL provoquée par la tension appliquée traversant la région active. [0031] La figure 11C est un graphique illustrant l'intensité calculée du rayonnement émis en fonction de la longueur d'onde pour chaque couche de puits quantique d'InGaN prévue dans la DEL de la figure 11A. [0032] La figure 11D est un graphique illustrant l'efficacité d'injection de porteurs calculée en fonction de la densité de courant appliquée à travers la région active de la DEL de la figure 11A. [0033] La figure 11E est un graphique illustrant l'efficacité quantique interne calculée en fonction de la densité de courant appliquée à travers la région active de la DEL de la figure 11A. [0034] La figure 12A est une vue en côté simplifiée d'une DEL de la présente 15 invention similaire à celle de la figure lA et comprend des couches de puits d'InGaN et des couches de barrière d'InGaN placées dans une région active de la DEL. [0035] La figure 12B est un schéma de bande conductrice simplifié pour la DEL de la figure 12A. [0036] La figure 13A est un graphique illustrant les bords de bande calculés pour la 20 bande conductrice et la bande de valence avec une tension nulle appliquée traversant la région active de la DEL de la figure 12A, les calculs obtenus utilisant un modèle de calcul de la DEL. [0037] La figure 13B est un graphique similaire à celui de la figure 13A, mais illustrant les bords de bande calculés pour la bande conductrice et la bande de valence avec 25 une densité de courant de 125 A/cm2 circulant à travers la région active de la DEL provoquée par la tension appliquée traversant la région active. [0038] La figure 13C est un graphique illustrant l'intensité calculée du rayonnement émis en fonction de la longueur d'onde pour chaque couche de puits quantique d'InGaN prévue dans la DEL de la figure 13A. [0039] La figure 13D est un graphique illustrant l'efficacité d'injection de porteurs calculée en fonction de la densité de courant appliquée à travers la région active de la DEL de la figure 13A. [0040] La figure 13E est un graphique illustrant l'efficacité quantique interne calculée en fonction de la densité de courant appliquée à travers la région active de la DEL de la figure 13A. [0041] La figure 14 illustre un exemple de dispositif lumineux comprenant une DEL selon la présente invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0042] Les dessins illustrés dans la présente invention ne visent pas à représenter des vues réelles de quelconques matériaux semi-conducteurs, structures ou dispositifs particuliers, mais sont simplement des représentations idéalisées utilisées pour décrire des modes de réalisation de la présente invention. [0043] La figure 1A illustre un mode de réalisation d'une structure semi-conductrice 100. La structure semi-conductrice 100 comprend une pluralité de couches de nitrure de Groupe III (par exemple du nitrure d'indium, du nitrure de gallium, du nitrure d'aluminium et leurs alliages) et comprend une couche de base 102, une couche de contact de type p 104 et une région active 106 disposée entre la couche de base 102 et la couche de contact de type p 104, la région active 106 comprenant une pluralité de couches d'InGaN. De plus, la région active 106 comprend au moins une couche de puits d'InGaN et au moins une couche de barrière d'InGaN. Dans certains modes de réalisation, la région active 106 peut être au moins sensiblement composée d'InGaN (mis à part la présence de dopants). La structure semiconductrice 100 comprend en outre une couche de blocage des électrons 108 disposée au-dessus de la région active 106, une couche massive de type p 110 disposée au-dessus de la 25 couche de blocage des électrons 108 et une couche de contact de type p 104 disposée au- dessus de la couche massive de type p 110. [0044] La couche de base 102 peut comprendre une couche de base de GaN 112, dans laquelle un plan de croissance de la couche de base de GaN 112 est un plan polaire avec un paramètre de maille de plan de croissance supérieur ou égal à environ 3,189 Angstrôms. 30 Un dispositif électroluminescent, tel qu'une diode électroluminescente, peut être fabriqué à partir de la structure semi-conductrice 100, tel que décrit en détail par la suite. Cependant, succinctement, un premier contact d'électrode peut être formé au-dessus d'une partie de la couche de base de GaN 112 et un second contact d'électrode peut être formé au-dessus d'une partie de la couche de contact de type p 104, de telle sorte qu'une tension électrique peut être appliquée entre les contacts d'électrode à travers la région active 106, provoquant ainsi l'émission de rayonnement électromagnétique (par exemple de la lumière visible) par un dispositif électroluminescent fabriqué à partir de la structure semi-conductrice 100. 100451 Les modes de réalisation de structures semi-conductrices de la présente invention, qui comprennent une région active comprenant au moins une couche de puits d'InGaN et au moins une couche de barrière d'InGaN, peuvent être fabriqués à l'aide de divers types de procédés de croissance ou sinon de formation de couches de nitrure de Groupe III tel que l'InGaN. À titre d'exemples non limitatifs, les diverses couches de nitrure de Groupe III peuvent être crûes ou sinon déposées à l'aide d'un ou de plusieurs procédés parmi un procédé de dépôt de vapeur chimique (CVD), un procédé de dépôt de vapeur chimique métalorganique (MOCVD), un procédé d'épitaxie en phase vapeur (VPE), un procédé de dépôt de couche atomique (ALD), un procédé d'épitaxie en phase vapeur hybride (HVPE), un procédé d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), un procédé de dépôt de couche atomique (ALD), un procédé d'épitaxie par faisceau chimique (CBE), etc. 100461 Dans certains modes de réalisation, les procédés exposés dans tout ou partie de la publication de demande de brevet américain n° US 2010 0176490 Al publiée le 15 juillet 2010 sous le nom de Letertre et al., la publication de demande de brevet américain n° US 2010 0109126 publiée le 6 mai 2010 sous le nom de Arena, la publication de demande de brevet américain n° US 2012 0211870 publiée le 23 août 2012 sous le nom de Figuet et la publication de demande de brevet américain n° US 2012 0225539 publiée le 6 septembre 2012 sous le nom de Figuet, dont les descriptions correspondant auxdites demandes sont intégrées ici dans leur intégralité par le biais de la présente référence, peuvent être utilisés pour cultiver ou sinon déposer les diverses couches de nitrure de Groupe III. De tels procédés peuvent permettre de fabriquer des couches de nitrure de Groupe III, telles que les couches d'InGaN (ainsi que d'autres couches de nitrure de Groupe III optionnelles) présentant des compositions et des épaisseurs similaires à celles décrites ci-dessous. De tels procédés peuvent être utilisés pour former un modèle de croissance 113 permettant ensuite de former des couches de nitrure de Groupe III. [0047] Un exemple d'un tel procédé pouvant être utilisé pour fabriquer le modèle de croissance 113 selon les modes de réalisation de la présente invention est décrit ci-dessous de façon succincte en référence aux figures 6A à 6C. 10048i La figure 6A est une vue plane en élévation d'une structure semi-conductrice intermédiaire 650 utilisée dans la formation du modèle de croissance 113 (de la figure 1A) selon lequel une ou plusieurs structures semi-conductrices et les dispositifs électroluminescents subséquents de la présente invention peuvent être fabriqués et la figure 6B est une vue en coupe transversale simplifiée d'une partie de la structure semi-conductrice intermédiaire 650 utilisée dans la formation du modèle de croissance 113. Le modèle de croissance 113 peut être fabriqué tel qu'exposé dans la publication de demande de brevet américain susmentionnée n° US 2010 0176490 Al et/ou dans la publication de demande de brevet américain n° US 2010 0109126. Tel qu'exposé ici, la structure semi-conductrice intermédiaire 650 peut comprendre un substrat sacrificiel 652, une couche de matériau concordant 654 disposée sur le substrat sacrificiel 652 et une ou plusieurs couches de germination d'InsGai_sN 656, chacune comprenant une couche de matériau en nitrure du Groupe III disposée au-dessus du matériau concordant 654. La ou les couches de germination d'InsGai_sN 656 peuvent servir de « semence » sur lesquelles les diverses couches subséquentes de la structure semi-conductrice 100 décrite peuvent être formées. [0049] La couche de germination d'InsGai_sN initiale peut être formée sur un substrat de croissance initial puis transférée au substrat sacrificiel 652 à l'aide de procédés tels que l'implantation ionique, la formation de liaisons ioniques suivis de la séparation d'une partie de la couche de germination d'InsGai_sN initiale (non illustrée). Le substrat de croissance initial peut comprendre un substrat de croissance caractérisé en ce qu'il comprend un décalage de maille de plan de croissance avec la couche de germination d'InsGai_sN initiale de telle sorte que la couche de germination d'InsGai_sN est formée sous contrainte. Par exemple, le substrat de croissance initial peut comprendre un substrat en saphir comprenant une couche de germination de GaN de gallium polaire, de telle sorte que la couche de germination d' InsGai_sN formée comprend une couche de germination d' InsGai_sN de gallium polaire soumise à une contrainte tensile. [0050] La couche de germination d'InsGai_sN initiale peut être formée ou crûe de telle sorte que la couche de germination d'InsGai_sN comprend un plan de croissance comprenant un plan polaire de nitrures de Groupe III. Par exemple, le plan de croissance peut être formé de telle sorte que la couche de germination d'InsGai_sN comprend un plan de gallium polaire. De plus, la couche de germination d'InsGai_sN initiale peut être crûe ou sinon formée de telle sorte que la composition de la couche de germination d'InsGai_sN est de 0,02 0,05) ou, dans certains modes de réalisation, peut être supérieure ou égale à environ 0,20 (c'est-à-dire w - b > 0,20). Dans certains modes de réalisation, la concentration en dopant des couches de barrière 116 peut être différente de la concentration en dopant des couches de puits 114. Des concentrations en dopant élevées peuvent provenir de défauts dans la structure des cristaux d'InGaN et de tels défauts peuvent être à l'origine de combinaisons non rayonnantes de paires de trous d'électron. Dans certains modes de réalisation, la concentration en dopant des couches de puits 114 peut être inférieure à la concentration en dopant des couches de barrière 116 pour réduire la vitesse des combinaisons non rayonnantes de paires de trous d'électron dans les couches de puits 114 par rapport à la vitesse des combinaisons non rayonnantes de paires de trous d'électron dans les couches de barrière 116. Dans d'autres modes de réalisation, la concentration en dopant des couches de barrière 116 peut être supérieure à la concentration en dopant des couches de puits 114. [0089] Tel qu'illustré sur la figure 1B, la barrière d'énergie prévue par la couche de blocage des électrons 108 peut découler de la différence de niveau d'énergie de la bande conductrice 128 se trouvant dans la couche de blocage des électrons 108 et dans la couche de revêtement 120 (ou dans toute autre couche jouxtant immédiatement la couche de blocage des électrons 108 sur le côté le plus proche de la région active 106). La hauteur de la barrière d'énergie peut être modifiée en modifiant la composition de la couche de blocage des électrons 108. Par exemple, tel qu'illustré sur la figurelB, le niveau d'énergie de conduction 130 (illustré sous la forme d'une ligne pleine) peut illustrer le niveau d'énergie de la bande conductrice pour une couche de blocage des électrons au moins sensiblement composée de GaN (mis à part la présence de dopants). Le niveau d'énergie de la bande conductrice à l'intérieur de la couche de blocage des électrons peut être réduit par rapport à une couche de blocage des électrons GaN, tel qu'illustré par le niveau d'énergie de bande conductrice 132 (illustré sous la forme d'une ligne en pointillés) en formant une couche de blocage des électrons au moins sensiblement composée d'IneGai_eN, où 0,01 REVENDICATIONS1. Structure semi-conductrice, comprenant : une couche de base de GaN ayant un plan de croissance polaire avec un paramètre de maille de plan de croissance supérieur ou égal à environ 3,189 Angstrôms ; une région active disposée au-dessus de la couche de base, la région active comprenant une pluralité de couches d'InGaN, la pluralité de couches d'InGaN comprenant au moins une couche de puits d'In,Gai_,,N, où 0,10 2. Structure semi-conductrice selon la revendication 1, dans laquelle la couche de base comprend en outre un modèle de croissance, le modèle de croissance comprenant : un substrat de support ; et une couche de germination d'InsGai_sN disposée sur le substrat de support, un plan de croissance de la couche de germination d' InsGai_sN étant un plan polaire avec un paramètre de maille de plan de croissance supérieur ou égal à environ 3,189 Angstrôms, où 0,02 3. Structure semi-conductrice selon la revendication 1, dans laquelle la couchede blocage des électrons est au moins sensiblement composée de GaN. 4. Structure semi-conductrice selon la revendication 1, comprenant en outre une couche d'arrêt des électrons disposée entre la couche de base de GaN et la région active, la couche d'arrêt des électrons comprenant de l'AlstGai_stN, où 0,01 5. Structure semi-conductrice selon la revendication 1, comprenant en outre une couche de libération de contrainte disposée entre la couche de base de GaN et la région active, la couche de libération de contrainte ayant une structure de super-réseau comprenant une alternance de couches d'InsraGasraN, où 0,01