Brevet FR3044167A1 — publié le 20170526

DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A DIODES ELECTROLUMINESCENTES COMPORTANT AU MOINS UNE DIODE ZENER DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la protection de type ESD (pour Electrostatic Discharge, en anglais) des dispositifs optoélectroniques, et en particulier des dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît les dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes, celles-ci étant généralement formées d'un empilement de couches semiconductrices adapté à émettre un rayonnement lumineux, par exemple bleu ou ultraviolet, voire vert ou rouge. Les couches semiconductrices sont habituellement réalisées en un matériau comportant majoritairement un composé semiconducteur par exemple III-V, c'est-à-dire comprenant des éléments de la colonne III et de la colonne V du tableau périodique, tel qu'un composé III-N, par exemple le nitrure de gallium (GaN), le nitrure d'indium et de gallium (InGaN) ou le nitrure d'aluminium et de gallium (AIGaN). Le fait de connecter en série une pluralité de diodes électroluminescentes permet d'obtenir une tension de fonctionnement plus élevée que la tension unitaire de fonctionnement de chaque des diodes, limitant ainsi la nécessité d'avoir recourt à des éléments électroniques (capacités, convertisseurs...) assurant l'adaptation de la tension d'alimentation issue par exemple du secteur (par exemple 320V de tension crête pour une tension alternative de 230V) à la tension unitaire de fonctionnement des diodes (habituellement de l'ordre de 3V). Il importe d'assurer la protection de chaque des diodes électroluminescentes connectées en série vis-à-vis de tensions présentant une intensité anormalement élevée, telle que les 3044167 2 décharges électrostatiques, qui sont susceptibles de provoquer une dégradation structurelle irréversible des diodes électroluminescentes. Une solution consiste généralement à connecter une diode Zener en parallèle à chacune des diodes électroluminescentes, voire une paire de diodes Zener connectées en tête- 5 bêche. En effet, les diodes Zener présentent une tension inverse dite de claquage à partir de laquelle elles passent d'un état bloqué dans lequel le courant électrique ne circule sensiblement pas à un état passant présentant une résistance électrique très faible. Aussi, lorsqu'une tension anormalement élevée est subie par les diodes électroluminescentes, les diodes Zener passent de l'état bloqué à l'état passant de sorte que le courant électrique 10 circule essentiellement au-travers de ces dernières, préservant ainsi les diodes électroluminescentes d'une potentielle dégradation structurelle irréversible. Habituellement, à des diodes électroluminescentes réalisées à base d'un composé III-V, tel que du GaN, dont la tension de seuil est de l'ordre de 3V, sont associées des diodes Zener réalisées à base de silicium dont la tension de claquage est de l'ordre de 5V. 15 Le document US2011/0057569 décrit un exemple de dispositif optoélectronique comportant une pluralité de diodes électroluminescentes connectées en série et réalisées à base de GaN, où chacune des diodes électroluminescentes est connectée en parallèle avec une diode Zener réalisée à base de silicium, les diodes Zener étant formées dans un même substrat en silicium. 20 Il existe cependant un besoin de disposer d'un dispositif optoélectronique, présentant une structure simplifiée, comportant une pluralité de diodes électroluminescentes connectées en série qui bénéficient chacune d'une protection vis-à-vis des décharges électrostatiques ou des tensions équivalentes. Il existe également un besoin d'un dispositif optoélectronique présentant une structure monolithique qui autorise une forte densité de 25 diodes électroluminescentes. 3044167 3 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif optoélectronique comportant des diodes électroluminescentes présentant chacune une tension directe dite de seuil et 5 une tension inverse de claquage, réalisées en un matériau comportant majoritairement un même composé semiconducteur. Selon l'invention, les diodes électroluminescentes sont agencées de sorte que : - une pluralité de N diodes électroluminescentes, N>2, sont connectées en série et aptes à être polarisées en direct ; 10 - au moins une diode électroluminescente est connectée en parallèle à la pluralité des N diodes électroluminescentes, et apte à être polarisée en inverse formant ainsi une diode Zener ; - le nombre N desdites diodes électroluminescentes connectées en série étant adapté de sorte que la somme des N tensions de seuil soit inférieure à la tension de claquage de la 15 diode Zener. Certains aspects préférés mais non limitatifs de cette source sont les suivants : La diode Zener peut comporter un empilement de portions semiconductrices dont une première portion dopée selon un premier type de conductivité, une seconde portion dopée selon un second type de conductivité opposé au premier type, ainsi qu'une première 20 portion intermédiaire dopée selon le premier type de conductivité, située entre lesdites première et seconde portions dopées, présentant un niveau de dopage adapté de sorte que la tension de claquage (Vc) soit supérieure à la somme des N tensions de seuil (Vs). Les diodes électroluminescentes peuvent comporter un empilement de portions semiconductrices dont une première portion dopée selon le premier type de conductivité, 25 une seconde portion dopée selon le second type de conductivité, ainsi qu'une première portion intermédiaire dopée selon le premier type de conductivité, située entre lesdites première et seconde portions dopées, lesdites portions semiconductrices des diodes électroluminescentes et de la diode Zener étant respectivement sensiblement coplanaires et réalisées en un matériau de même composition et de même niveau de dopage. 3044167 4 Les premières portions intermédiaires dopées des diodes électroluminescentes et de la diode Zener peuvent présenter une épaisseur inférieure ou égale à 5nm, et de préférence comprise entre 1nm et 5nm. La diode Zener peut comporter une seconde portion intermédiaire dopée selon le second 5 type de conductivité, située entre la première portion intermédiaire dopée et la seconde portion dopée, présentant un niveau de dopage adapté de sorte que la tension de claquage soit supérieure à la somme des N tensions de seuil. Les diodes électroluminescentes peuvent comporter une seconde portion intermédiaire dopée selon le second type de conductivité, située entre la première portion intermédiaire 10 dopée et la seconde portion dopée, lesdites secondes portions intermédiaires dopées des diodes électroluminescentes et de la diode Zener étant respectivement sensiblement coplanaires et réalisées en un matériau de même composition et de même niveau de dopage, et présentant une épaisseur inférieure ou égale à 50nm, et de préférence comprise entre 1nm et 50nm. 15 Ledit composé semiconducteur peut être choisi parmi un composé III-V, un composé II-VI, et un élément ou un composé IV. Lesdites diodes électroluminescentes et la diode Zener peuvent présenter chacune un empilement de portions semiconductrices comprenant une première portion dopée selon un premier type de conductivité, une zone active, et une seconde portion dopée selon un 20 second type de conductivité opposé au premier type, lesdits empilements formant chacun une structure mena sensiblement coplanaire. La première portion dopée des diodes électroluminescentes et celle de la diode Zener peuvent présenter un flanc latéral comportant une surface de décrochement formée par une seconde partie de la première portion dopée vis-à-vis d'une première partie de celle- 25 ci. Un élément de connexion électrique latéral peut s'étendre au niveau d'une diode électroluminescente ou de la diode Zener de manière à être au contact électrique avec la surface de décrochement de la première portion dopée correspondante, l'élément de 3044167 5 connexion latéral étant en outre électriquement isolé des secondes portions dopées et des portions actives de la diode considérée et de la diode électroluminescente ou de la diode Zener adjacente, par des portions diélectriques recouvrant des flancs latéraux des structures mesa. 5 L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, dans lequel : i) on forme des diodes électroluminescentes réalisées en un matériau comportant majoritairement un même composé semiconducteur, ii) on connecte en série une pluralité de N diodes électroluminescentes, N>2, 10 celles-ci étant aptes à être polarisées en direct ; iii) on connecte au moins une diode électroluminescente en parallèle à ladite pluralité de N diodes électroluminescentes, de manière à être polarisée en inverse formant ainsi une diode Zener, le nombre N desdites diodes électroluminescentes connectées en série étant adapté de sorte que la somme 15 des N tensions de seuil soit inférieure à la tension de claquage de la diode Zener. L'étape i) peut comporter les sous-étapes dans lesquelles : a. on réalise un empilement de couches comprenant une première couche semiconductrice dopée et une seconde couche semiconductrice dopée entre lesquelles est interposée une couche active ; 20 b. on grave l'empilement de couches de manière à former une structure mesa destinée à former une pluralité de N diodes électroluminescentes et une structure mesa destinée à former au moins une diode Zener, chaque structure mesa étant formée d'un empilement d'une première portion dopée, d'une zone active et d'une seconde portion dopée, la première portion dopée desdites structures mesa 25 comportant un flanc latéral présentant une surface de décrochement ; c. on réalise des portions diélectriques recouvrant les flancs latéraux des structures mesa à l'exception des surfaces de décrochement ; d. on dépose un matériau électriquement conducteur entre les structures mesa, le matériau conducteur étant en contact de la surface de décrochement de la 3044167 6 première portion dopée et électriquement isolé par des portions diélectriques de la zone active et de la seconde portion dopée. On peut réaliser en outre, lors de l'étape a), une première couche intermédiaire dopée selon le premier type de conductivité, située entre la couche active et la seconde couche 5 dopée, et de préférence une seconde couche intermédiaire dopée selon le second type de conductivité, située entre la première couche intermédiaire et la seconde couche dopée. On peut ajuster le niveau de dopage de la première couche intermédiaire et éventuellement de celui de la seconde couche intermédiaire dopée de sorte que la tension de claquage de la diode Zener soit inférieure à la somme des N tensions de seuil. 10 On peut réaliser des éléments de connexion électrique adaptés à polariser en direct la pluralité des N diodes électroluminescentes et en inverse la diode Zener à partir de portions électriquement conductrices de polarisation situées en regard des secondes portions dopées. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 20 la figure 1 illustre un schéma électrique équivalent d'un dispositif optoélectronique comportant une pluralité de diodes électroluminescentes connectées en série, les diodes étant régulées en tension par deux diodes Zener connectées en tête-bêche ; la figure 2 est une vue partielle schématique et en coupe d'un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation, dans lequel les diodes électroluminescentes et la diode Zener 25 présentent chacune une structure mena coplanaire ; la figure 3 est une vue schématique détaillée de l'empilement de portions semiconductrices d'une diode électroluminescente et de la diode Zener d'un dispositif optoélectronique 3044167 7 selon une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 2, comportant des portions intermédiaires dopées situées entre la zone active et la seconde portion dopée ; la figure 4 est une vue partielle schématique et en coupe d'un dispositif optoélectronique selon un autre mode de réalisation, dans lequel la liaison entre la puce optoélectronique 5 et la puce de commande est assurée par des billes électriquement conductrices ; les figures 5a à 5h illustrent les étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 10 Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les termes « sensiblement », « approximativement », « environ » s'entendent « à 10% près ». 15 L'invention porte sur la protection, dite ESD (pour Electrostatic Discharge, en anglais), de plusieurs diodes électroluminescentes connectées en série vis-à-vis de décharges électrostatiques ou de tensions anormalement élevées susceptibles d'endommager de manière irréversible la structure des diodes électroluminescentes. La protection ESD est assurée par au moins une diode connectée en parallèle avec la 20 pluralité de diodes électroluminescentes et agencée de manière à être polarisée en inverse vis-à-vis de la pluralité de diodes électroluminescentes. Cette diode est alors régulatrice de tension et est appelée par la suite diode Zener. Chaque diode électroluminescente présente, lorsqu'elle est polarisée en direct, une tension dite de seuil Vs à partir de laquelle la diode émet un rayonnement lumineux. La 25 même diode présente, alors polarisée en inverse, une tension dite de claquage Vc, également appelée tension Zener, à partir de laquelle la diode passe d'un état dit bloquant dans lequel le courant électrique ne circule sensiblement pas (moyennant un courant de fuite) à un état dit passant dans lequel la résistance électrique de la diode est très faible. 3044167 8 La tension de claquage Vc peut être associée à un effet Zener ou à un effet d'avalanche. L'état passant de la diode Zener est effectif lorsque la valeur de tension inverse est comprise entre une valeur minimale sensiblement égale à la tension de claquage Vc et une valeur maximale au-delà de laquelle le courant électrique correspondant est susceptible 5 d'entraîner une dégradation irréversible de la structure de la diode. La figure 1 est un exemple de schéma électrique équivalent d'un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation, dans lequel une diode Zener assure la régulation électrique d'une pluralité de N diodes électroluminescentes, N2, connectées 10 en série. Le dispositif optoélectronique comporte des diodes électroluminescentes, présentant chacune une tension directe de seuil Vs et une tension inverse de claquage Vc, réalisées en un matériau comportant majoritairement le même composé semiconducteur. Par matériau comportant majoritairement le même composé semiconducteur, on entend un 15 matériau dont au moins 50% de son volume est formé ou comporte ledit composé semiconducteur. Le composé semiconducteur est choisi parmi les composés III-V, c'est-à-dire comprenant principalement au moins un élément de la colonne III et un élément de la colonne V du tableau périodique, les composés II-VI, et les éléments ou composés IV. Le composé III-V 20 peut être un composé III-N, tel que par exemple le GaN, l'InGaN, l'AIGaN, l'AIN, l'IN, l'Ali nGaN. Des éléments de la colonne V, tels que l'arsenic ou le phosphore, peuvent être présents dans un composé du type InP ou InGaAs. Le composé II-VI peut être, par exemple, le ZnO, le CdTe ou le CdHgTe. Le composé IV peut être, par exemple, le SiC, le diamant (C), le SiGe, le GeSn voire le SiGeSn. 25 Ainsi, du fait que les diodes électroluminescentes sont réalisées en un matériau comportant majoritairement le même composé semiconducteur, elles présentent toutes une valeur sensiblement identique de tension de seuil Vs et une valeur sensiblement identique de tension de claquage Vc. 3044167 9 Il apparaît que les diodes électroluminescentes réalisées en un matériau comprenant majoritairement un tel composé semiconducteur présentent une tension inverse de claquage supérieure à au moins deux fois la tension directe de seuil. A titre d'exemple, la publication de Chang et al. intitulée Improved ESD Protection by Combining inGaN-GaN 5 MQW LEDs With GaN Schottky Diodes, IEEE Electron Device Letters, Vol.24, No.3, 2003, 129-131, décrit une diode électroluminescente à base de GaN dont la tension inverse de claquage est de 170V environ alors que la tension directe de seuil est de l'ordre de 3V à 5V. Il est alors possible d'utiliser l'une des diodes électroluminescentes, polarisée en inverse, formant ainsi une diode Zener qui assure la régulation électrique d'une pluralité des diodes 10 électroluminescences connectées en série. Ainsi, les diodes électroluminescentes du dispositif optoélectronique sont agencées de manière à former, d'une part, une pluralité de N diodes électroluminescentes 401, 402,... 40N connectées en série, N2, et d'autre part, au moins une diode électroluminescente connectée en parallèle à ladite pluralité de diodes électroluminescentes, et agencée de manière à être polarisée en inverse, formant ainsi la 15 diode Zener. De plus, le nombre N de diodes électroluminescentes connectées en série est alors adapté de sorte que la somme des N tensions directes de seuil est inférieure à la tension de claquage Vc de la diode Zener : N VS REVENDICATIONS1. Dispositif optoélectronique (1) comportant : - des diodes électroluminescentes (40) présentant chacune une tension directe dite de seuil (Vs) et une tension inverse de claquage (Vc), réalisées en un matériau comportant majoritairement un même composé semiconducteur, caractérisé en ce qu'elles sont agencées de sorte que : une pluralité de N diodes électroluminescentes (40), N2, sont connectées en série et aptes à être polarisées en direct ; au moins une diode électroluminescente (50) est connectée en parallèle à la pluralité des N diodes électroluminescentes (40), et apte à être polarisée en inverse formant ainsi une diode Zener ; le nombre N desdites diodes électroluminescentes (40) connectées en série étant adapté de sorte que la somme des N tensions de seuil (Vs) soit inférieure à la tension de claquage (Vc) de la diode Zener (50). 2. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 1, dans lequel la diode Zener (50) comporte un empilement de portions semiconductrices dont une première portion (51) dopée selon un premier type de conductivité, une seconde portion (52) dopée selon un second type de conductivité opposé au premier type, ainsi qu'une première portion intermédiaire (3) dopée selon le premier type de conductivité, située entre lesdites première et seconde portions dopées (51, 52), présentant un niveau de dopage adapté de sorte que la tension de claquage (Vc) soit supérieure à la somme des N tensions de seuil (Vs). 3. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 2, dans lequel les diodes électroluminescentes comportent un empilement de portions semiconductrices dont une première portion (41) dopée selon le premier type de conductivité, une seconde portion (42) dopée selon le second type de conductivité, ainsi qu'une première portion intermédiaire (3) dopée selon le premier type de conductivité, située entre lesdites 3044167 28 première et seconde portions dopées (41, 42), lesdites portions semiconductrices des diodes électroluminescentes et de la diode Zener étant respectivement sensiblement coplanaires et réalisées en un matériau de même composition et de même niveau de dopage. 5 4. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 3, dans lequel les premières portions intermédiaires dopées (3) des diodes électroluminescentes (40) et de la diode Zener (50) présentent une épaisseur inférieure ou égale à 5nm, et de préférence comprise entre 1nm et 5nm. 5. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans 10 lequel la diode Zener comporte une seconde portion intermédiaire (4) dopée selon le second type de conductivité, située entre la première portion intermédiaire (3) dopée et la seconde portion dopée (52), présentant un niveau de dopage adapté de sorte que la tension de claquage (Vc) soit supérieure à la somme des N tensions de seuil (Vs). 6. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 5, dans lequel les diodes 15 électroluminescentes comporte une seconde portion intermédiaire (4) dopée selon le second type de conductivité, située entre la première portion intermédiaire dopée (3) et la seconde portion dopée (42), lesdites secondes portions intermédiaires dopées (4) des diodes électroluminescentes et de la diode Zener étant respectivement sensiblement coplanaires et réalisées en un matériau de même composition et de même niveau de 20 dopage, et présentant une épaisseur inférieure ou égale à 50nm, et de préférence comprise entre 1nm et 50nm. 7. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit composé semiconducteur est choisi parmi un composé III-V, un composé II-VI, et un élément ou un composé IV. 25 8. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites diodes électroluminescentes et la diode Zener présentent chacune un empilement de portions semiconductrices comprenant une première portion (41, 51) 3044167 29 dopée selon un premier type de conductivité, une zone active (43, 53), et une seconde portion (42, 52) dopée selon un second type de conductivité opposé au premier type, lesdits empilements formant chacun une structure mesa sensiblement coplanaire. 9. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 8, dans lequel la première 5 portion dopée (41) des diodes électroluminescentes (40) et celle (51) de la diode Zener (50) présentent un flanc latéral comportant une surface de décrochement (46, 56) formée par une seconde partie (41b, 51b) de la première portion dopée (41, 51) vis-à-vis d'une première partie (41a, 51a) de celle-ci. 10. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 9, dans lequel un élément de 10 connexion électrique latéral (48, 58) s'étend au niveau d'une diode électroluminescente ou de la diode Zener de manière à être au contact électrique avec la surface de décrochement (46, 56) de la première portion dopée (41, 51) correspondante, l'élément de connexion latéral (48, 58) étant en outre électriquement isolé des secondes portions dopées (42, 52) et des portions actives (43, 53) de la diode (40, 50) considérée et de la diode 15 électroluminescente ou de la diode Zener adjacente, par des portions diélectriques (47, 57) recouvrant des flancs latéraux des structures mesa. 11. Procédé de réalisation d'un dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : i) on forme des diodes électroluminescentes (50) réalisées en un matériau 20 comportant majoritairement un même composé semiconducteur, ii) on connecte en série une pluralité de N diodes électroluminescentes (50), N2, celles-ci étant aptes à être polarisées en direct ; iii) on connecte au moins une diode électroluminescente en parallèle à ladite pluralité de N diodes électroluminescentes, de manière à être polarisée en inverse 25 formant ainsi une diode Zener, le nombre N desdites diodes électroluminescentes (40) connectées en série étant adapté de sorte que la somme des N tensions de seuil (Vs) soit inférieure à la tension de claquage (Vc) de la diode Zener. 3044167 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'étape i) comporte les sous-étapes dans lesquelles : a. on réalise un empilement de couches comprenant une première couche semiconductrice dopée (61) et une seconde couche semiconductrice dopée (62) 5 entre lesquelles est interposée une couche active (63) ; b. on grave l'empilement de couches de manière à former une structure mesa destinée à former une pluralité de N diodes électroluminescentes (40) et une structure mesa destinée à former au moins une diode Zener (50), chaque structure mesa étant formée d'un empilement d'une première portion dopée (41, 51), d'une 10 zone active (43, 53) et d'une seconde portion dopée (42, 52), la première portion dopée (41, 51) desdites structures mesa comportant un flanc latéral présentant une surface de décrochement (46, 56) ; c. on réalise des portions diélectriques (47, 57) recouvrant les flancs latéraux des structures mesa à l'exception des surfaces de décrochement (46, 56) ; 15 d. on dépose un matériau électriquement conducteur (48, 58) entre les structures mesa, le matériau conducteur étant en contact de la surface de décrochement (46, 56) de la première portion dopée (41, 51) et électriquement isolé par des portions diélectriques (47, 57) de la zone active (43, 53) et de la seconde portion dopée (42, 52). 20 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on réalise en outre, lors de l'étape a), une première couche intermédiaire (3) dopée selon le premier type de conductivité, située entre la couche active (63) et la seconde couche dopée (62), et de préférence une seconde couche intermédiaire (4) dopée selon le second type de conductivité, située entre la première couche intermédiaire (3) et la seconde couche dopée (62). 25 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on ajuste le niveau de dopage de la première couche intermédiaire (3) et éventuellement de celui de la seconde couche intermédiaire dopée (4) de sorte que la tension de claquage (Vc) de la diode Zener soit inférieure à la somme des N tensions de seuil (Vs). 3044167 31 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel on réalise des éléments de connexion électrique (14) adaptés à polariser en direct la pluralité des N diodes électroluminescentes (40) et en inverse la diode Zener (50) à partir de portions électriquement conductrices (22) de polarisation situées en regard des secondes portions 5 dopées (42, 52).