Brevet FR3059787A1 — publié le 20180608

B15353 - DD17339HB 1 DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A DIODE ELECTROLUMINESCENTE A EXTRACTION AUGMENTEE Domaine La présente invention concerne de façon générale les dispositifs optoélectroniques à base de matériaux semiconducteurs et leurs procédés de fabrication. La présente invention concerne plus particulièrement les dispositifs optoélectroniques comprenant des diodes électroluminescentes. Exposé de l'art antérieur Par dispositifs optoélectroniques à diodes électroluminescentes, on entend des dispositifs adaptés à effectuer la conversion d'un signal électrique en un rayonnement électromagnétique, et notamment des dispositifs dédiés à l'émission d'un rayonnement électromagnétique, notamment de la lumière. De façon générale, le dispositif optoélectronique comprend au moins une diode électroluminescente formée par un empilement de couches semiconductrices. La zone active est la zone de la diode électroluminescente depuis laquelle est émise la majorité du rayonnement fourni par la diode électroluminescente DEL. La zone active peut comporter des moyens de confinement. A titre d'exemple, la zone active peut comprendre un puits quantique unique ou des puits quantiques multiples. 3059787 B15353 - DD17339HB 2 L'efficacité d'extraction d'un dispositif optoélectronique est généralement définie par le rapport entre le nombre de photons qui s'échappent du dispositif optoélectronique et le nombre de photons émis par la zone active du dispositif. Il 5 est souhaitable que l'efficacité d'extraction d'un dispositif optoélectronique soit la plus élevée possible. Toutefois, une partie du rayonnement peut rester piégée dans le dispositif optoélectronique. La figure 1 est une vue en coupe, partielle et 10 schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 10 comprenant une diode électroluminescente. A titre d'exemple, le dispositif optoélectronique 10 peut avoir une structure à symétrie de révolution. Le dispositif optoélectronique 10 comprend un empilement 12 de couches semiconductrices, par 15 exemple comprenant majoritairement un alliage d'un élément du groupe III et d'un élément du groupe V, par exemple le GaN. L'empilement peut comprendre une couche semiconductrice 14 dopée de type P, une couche semiconductrice 16 dopée de type N et une zone active 18 prise en sandwich entre les couches 20 semiconductrices 14 et 16. La couche semicondutrice 16 comprend une face 20, appelée face d'émission, par laquelle s'échappe le rayonnement électromagnétique émis par la zone active 18. On appelle Z la direction perpendiculaire à la face 20. Le dispositif optoélectronique 10 comprend, en outre, un plot 22 conducteur électriquement au contact de la couche semiconductrice 14 et un plot 24 conducteur électriquement au contact de la couche semiconductrice 16. Le dispositif optoélectronique 10 comprend, en outre, une portion isolante électriquement 26 séparant le plot conducteur 24 du plot conducteur 22, de la couche semiconductrice 14 et de la zone active 18. Les plots conducteurs 22, 24 permettent d'alimenter la diode électroluminescente pour l'émission d'un rayonnement électromagnétique. Une partie du rayonnement électromagnétique s'échappe 35 directement par la face d'émission 20 sans que les ondes 3059787 B15353 - DD17339HB 3 électromagnétiques ne se réfléchissent sur les parois du dispositif optoélectronique 10. Ce mode de propagation du rayonnement électromagnétique est appelé mode radiatif direct et est représenté de façon schématique en figure 1 par des fronts 5 d'onde 27. La directivité du dispositif optoélectronique 10 correspond à la proportion du rayonnement qui s'échappe par la face d'émission 20 selon la même direction. Plus cette proportion est importante, plus le dispositif optoélectronique est directif. Les rayons lumineux du mode radiatif direct sont sensiblement 10 orthogonaux à la face d'émission 20 de sorte que le dispositif optoélectronique 10 est directif lorsque seul le mode radiatif direct est présent. Une partie du rayonnement électromagnétique se réfléchit sur les parois du dispositif optoélectronique 10 selon différents 15 chemins. Ces modes de propagation sont appelés modes guidés. Des modes guidés sont représentés de façon schématique en figure 1 par des rayons 28 qui se réfléchissent sur des parois du dispositif optoélectronique 10. Au moins une partie du rayonnement électromagnétique qui se propage selon des modes guidés peut 20 rester piégée dans le dispositif optoélectronique 10. Il est connu de former un réseau de diffraction périodique sur la face d'émission 20 pour augmenter l'efficacité d'extraction du dispositif optoélectronique 10. Un réseau de diffraction comprend, par exemple, des rainures rectilignes ou 25 circulaires formées dans la face d'émission 20 et régulièrement espacées. Le réseau de diffraction permet d'extraire le rayonnement se propageant dans la couche semiconductrice 16 selon des modes guidés. Toutefois, un inconvénient du réseau périodique de 30 diffraction est qu'il dégrade la directivité du dispositif optoélectronique 10. En effet, la direction d'émission du rayonnement par le réseau de diffraction dépend du mode guidé. L'épaisseur de la couche semiconductrice 16 peut être supérieure à quelques micromètres de sorte que le dispositif optoélectronique 10 présente généralement de nombreux modes guidés qui sont 3059787 B15353 - DD17339HB 4 extraits par le réseau périodique de diffraction selon des directions d'émission différentes. Résumé Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout 5 ou partie des inconvénients des dispositifs optoélectroniques décrits précédemment. Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter l'efficacité d'extraction du dispositif optoélectronique. Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter 10 la directivité du dispositif optoélectronique. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif optoélectronique comprenant une zone active adaptée à fournir un rayonnement électromagnétique et prise en sandwich entre des première et deuxième couches semiconductrices, la première couche 15 semiconductrice délimitant une face et comprenant une première portion au contact de zone active et délimitant une première partie de la face et se prolongeant par une deuxième portion délimitant une deuxième partie de la face, la deuxième portion formant un guide d'onde monomode, le dispositif optoélectronique 20 comprenant une portion opaque et réfléchissante au rayonnement électromagnétique recouvrant la première partie et comprenant un réseau de diffraction sur la deuxième partie adapté à extraire le rayonnement électromagnétique de la deuxième portion selon une direction sensiblement perpendiculaire à la première partie à 10° 25 près. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la deuxième portion est comprise entre 0,05 fun et 0,2 gm. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la première portion est supérieure strictement à l'épaisseur de la deuxième 30 portion. Selon un mode de réalisation, la dimension latérale de la deuxième portion est supérieure à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique. Selon un mode de réalisation, le réseau de diffraction 35 comprend des anneaux. 3059787 B15353 - DD17339HB 5 Selon un mode de réalisation, les anneaux sont circulaires. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend, en outre, une couche d'un matériau au moins en partie transparent 5 audit rayonnement électromagnétique recouvrant au moins le réseau de diffraction et dont l'indice de réfraction à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique est comprise entre l'indice de réfraction de la première couche semiconductrice à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique et l'indice de 10 réfraction de l'air à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur h de la deuxième portion vérifie la relation suivante : h les 30 vecteurs unitaires en coordonnées polaires du point de coordonnées (r,13). En figure 8, on a représenté de façon schématique les faces latérales de cinq anneaux 48 du réseau de diffraction par des courbes C. Dans le présent mode de réalisation, on souhaite 35 extraire la lumière du plan (xOy) suivant une direction D donnée 3059787 B15353 - DD17339HB 17 par un angle polaire 0, par rapport à la direction Z, et un angle azimutal q, dans le plan (xOy) comme cela est illustré sur la figure 9. Le rayonnement électromagnétique se propage sensiblement radialement dans la portion périphérique 36 avant son extraction 5 par le réseau de diffraction 46. Le vecteur d'onde r(enussion associée au rayonnement dans la portion périphérique 36 n'a ainsi qu'une composante radiale, et ne dépend donc vectoriellement que de l'angle p. Le vecteur d' onde r(ermssion est donné par la relation (III) suivante :/ (13) = -22L7 10 na4 Quel que soit l'angle R considéré, il faut donc que le réseau de diffraction 46 soit capable d'extraire le rayonnement électromagnétique hors du plan (xOy) suivant la direction D définie par les angles 0 et 9. 15 Selon le présent mode de réalisation, le réseau de diffraction 46 comprend des anneaux entourant le centre 0 qui ne sont pas de forme circulaire. Pour n'importe quel angle 0, les anneaux sont disposés de façon périodique selon la droite (0,e avec une période P qui dépend seulement de l'angle R. Pour 20 n'importe quel angle 0, chaque anneau est défini par des vecteurs i71-> et fet où fet est un vecteur unitaire dans le plan (xOy) qui est tangent à la courbe C de l'anneau et U; est un vecteur unitaire 25 30 Quel que soit l'angle 0, le vecteur d'onde 1-extraction du rayonnement électromagnétique extrait par le réseau de diffraction 46 est donné par la relation (V) suivante : r(emission (13)- 2: Up (13) =1->(extraction (V) 35 La relation (V) se réécrit de la façon suivante : dans le plan (xOy) qui est perpendiculaire à la courbe C du bord de l'anneau. Les vecteurs i71; et fet ne dépendent que de l'angle R. On appelle 'y l'angle entre le vecteur unitaire i71; et l'axe (Ox). L'angle 'y définit la direction ou l'orientation du réseau de diffraction 46. Le vecteur unitaire fet est donné par la relation (IV) suivante : ut= sin R' coe (IV) 3059787 B15353 - DD17339HB 18 27 COSM (COSI31 (SilleCOS(p neff sin13) P Si11131) sinOsimp On obtient après simplification la relation (VI) suivante : 5 1 (s n(3')_1 - (cos in13)s P\ (sinOcoswp)]sinOs yl (VI) 10 7 [neff -im à deux relations on obtient 15 La relation vectorielle scalaires. En divisant ces (VI) correspond deux équations scalaires, la relation (VII) suivante : l'expression de l'angle 0, selon équations scalaires (VII) 1 période P selon au carré, on [neffsinp-sinOsincp la relation (VIII) (VIII) des configurations du réseau de à 0, égal à 0, IT=tan- n eff CO sp-sinOcoscp] En sommant ces deux obtient l'expression de la suivante : P= vneff2 +sin02 -2neffsinOcos(cp-(3) On peut déduire de la relation (VI) particulières. A titre d'exemple, l'orientation diffraction 46 est horizontale, ce qui correspond pour : p=sin (sinOsincp) (VIII) 4 4>pi=o I ) neff Selon un autre exemple, l'orientation du réseau de diffraction 46 est verticale, ce qui correspond à (3, égal à ±n/2, 20 pour : p=cos (sinecoscp) 4=>13!=+- (Ix) neff 2 Selon un autre exemple, on a égalité entre l'orientation du réseau et la direction radiale, ce qui correspond à R égal à 0,, pour : 25 13=131=q)-±T[ (X) Selon un mode de réalisation, dans un plan perpendiculaire à la direction Z, les faces latérales des anneaux 48 correspondent sensiblement à des ellipses. Selon un mode de réalisation, ces ellipses ont un foyer commun qui correspond au 30 centre 0 et ont le même grand axe. La figure 10 est une vue analogue à la figure 8 illustrant neuf configurations de réseaux de diffraction. Pour chaque réseau, on a indiqué les angles 0 et 9 de la direction D 3059787 B15353 - DD17339HB 19 d'émission du rayonnement électromagnétique obtenue avec le réseau de diffraction. La figure 11 représente un diagramme d'émission angulaire en champ lointain obtenu par simulation pour un 5 dispositif optoélectronique 30 ayant les mêmes caractéristiques que pour l'obtention du diagramme d'émission représenté sur la figure 6 et avec un réseau de diffraction du type de celui représenté en figure 8 pour lequel la direction D d'émission du rayonnement électromagnétique est définie par les angles 0 égal à 10 30° et 9 égal à 0°. Pour le réseau de diffraction permettant d'obtenir le diagramme d'émission angulaire de la figure 6, la période P était de 205 nm. Pour le réseau de diffraction permettant d'obtenir le diagramme d'émission angulaire de la figure 11, la période P pour R égal à 0° est égale à 270 nm et la 15 période P pour R égal à 180° est égale à 162 nm. Les figures 12A à 12J sont des vues en coupe, partielles et schématiques, des structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication simultanée de plusieurs exemplaires du dispositif optoélectronique 30 20 représenté sur la figure 2, chaque dispositif optoélectronique 30 correspondant, par exemple, à un pixel d'affichage d'un dispositif d'affichage. Le procédé comprend les étapes successives suivantes : (1) Formation, par exemple par épitaxie, sur un 25 substrat 70, d'un empilement de couches semiconductrices comprenant successivement une couche intermédiaire 72, une couche 74 dopée d'un premier type de conductivité, par exemple de type N, une couche active 76 et une couche 78 dopée d'un deuxième type de conductivité, par exemple de type P, opposé au premier type de 30 conductivité (figure 12A). Le substrat 70 peut correspondre à une structure monobloc ou correspondre à une couche recouvrant un support constitué d'un autre matériau. Le substrat 70 peut être un substrat semiconducteur, par exemple un substrat en silicium, en germanium, en carbure de silicium, en un composé III-V, tel 35 que du GaN ou du GaAs, ou un substrat en ZnO. Le substrat 70 peut 3059787 B15353 - DD17339HB 20 correspondre à une structure multicouches de type silicium sur isolant, également appelée SOI (acronyme anglais pour Silicon On Insulator). Le substrat 70 peut être en un matériau isolant, par exemple en saphir. 5 (2) Dépôt d'une couche métallique sur la couche 78 et gravure de la couche métallique pour délimiter le plot conducteur 22 pour chaque dispositif optoélectronique (figure 12B). (3) Gravure de la couche 78, de la couche active 76 et d'une partie de l'épaisseur de la couche 74 avec arrêt de la 10 gravure dans la couche 74 pour délimiter, pour chaque dispositif optoélectronique, la couche semiconductrice 14, la zone active 18 et une portion semiconductrice 80 (figure 12C). (4) Dépôt d'une couche isolante électriquement sur l'ensemble de la structure et gravure anisotrope de la couche 15 isolante électriquement pour délimiter la portion isolante 26 pour chaque dispositif optoélectronique (figure 12D). (5) Dépôt d'une couche métallique sur l'ensemble de la structure et gravure la couche métallique, par exemple par une planarisation mécanochimique pour délimiter le plot conducteur 24 20 pour chaque dispositif optoélectronique (figure 12E). On obtient ainsi un circuit optoélectronique 82. (6) Fixation du circuit optoélectronique 82 à un circuit électronique 84 (figure 12F). Le circuit électronique 84 comprend des composants électroniques non représentés. En figure 25 12F, on a seulement représenté des plots conducteurs 85 sur une face 86 du circuit électronique 84. Les plots conducteurs 85 sont reliés électriquement aux plots conducteurs 22 et/ou 24. Selon l'écartement entre les plots conducteurs 85, la liaison entre le circuit optoélectronique 82 et le circuit électronique 84 peut 30 être réalisée par l'intermédiaire de billes conductrices 87 ou de microtubes. (7) Retrait du substrat 70, par exemple par un procédé de décollement au laser (en anglais laser lift off) (figure 12G). (8) Gravure de la totalité de la couche intermédiaire 35 72 et gravure partielle de la portion semiconductrice 80, 3059787 B15353 - DD17339HB 21 seulement sur une partie de l'épaisseur de la portion semiconductrice 80, pour délimiter la couche semiconductrice 32 pour chaque dispositif optoélectronique (figure 12H). (9) Dépôt d'une couche métallique sur la couche 5 semiconductrice 32 et gravure de la couche métallique pour délimiter la portion opaque 44 pour chaque dispositif optoélectronique (figure 121). (10) Formation du réseau de diffraction 46 pour chaque dispositif optoélectronique par gravure de motifs dans la portion 10 périphérique 36 de la couche semiconductrice 32 (figure 12J). On obtient un circuit optoélectronique 82 comprenant plusieurs dispositifs optoélectroniques 30. Une zone 88 non structurée peut être laissée entre deux dispositifs optoélectroniques 30 adjacents. 15 Le procédé peut en outre comprendre une étape de dépôt d'une couche transparente recouvrant au moins les portions 36 pour obtenir la structure représentée en figure 7. La figure 13 représente une vue de dessus très schématique d'un mode de réalisation du circuit optoélectronique 20 82 après l'étape représentée en figure 12J. Pour chaque dispositif optoélectronique 30, la portion opaque 44 est centrale et est entourée par le réseau de diffraction 46. Les figures 14A à 14H sont des vues en coupe, partielles et schématiques, des structures obtenues à des étapes successives 25 d'un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication simultanée de plusieurs exemplaires du dispositif optoélectronique 30 représenté sur la figure 2, chaque dispositif optoélectronique 30 correspondant, par exemple, à un pixel d'affichage d'un dispositif d'affichage. 30 Le procédé comprend les étapes successives suivantes : (1') Fabrication de la même structure que celle représentée en figure 12A à la différence que la couche semiconductrice 72 n'est pas représentée et qu'une couche métallique 90 recouvre la couche 78 et fabrication séparée du 35 circuit électronique 84 (figure 14A). 3059787 B15353 - DD17339HB 22 (2') Fixation du circuit optoélectronique 82 sur le circuit électronique 84, par exemple par collage (figure 14B). Les plots conducteurs 85 sont reliés électriquement à la couche métallique 90. 5 (3') Retrait du substrat 70 (figure 14C). (4') Gravure de la couche semiconductrice 74 sur une partie de son épaisseur (figure 14D). (5') Dépôt d'une couche métallique sur la couche semiconductrice 78 amincie et gravure de la couche métallique pour 10 délimiter la portion opaque 44 de chaque dispositif optoélectronique (figure 14E). (6') Implantation, en utilisant les portions opaques 44 comme masque, de matériaux dans la couche semiconductrice 74 sur une partie de l'épaisseur de la couche semiconductrice 74, 15 dans la couche active 76 sur la totalité de l'épaisseur de la couche active et dans la couche semiconductrice 78 sur la totalité de l'épaisseur de la couche semiconductrice 78, pour dégrader les propriétés électroniques dans ces couches et pour former, pour chaque dispositif optoélectronique, une région 92 qui délimitent 20 la couche semiconductrice 14, la zone active 18 et la couche conductrice 32 (figure 14F). Les paramètres d'implantation sont choisis pour laisser intacte une couche superficielle de la couche semiconductrice 74 qui correspond à la portion 36 décrite précédemment. Les espèces à implanter sont choisies dans le but 25 de dégrader électriquement les zones implantées, au sens où elles deviennent isolantes électriquement. (7') Séparation des diodes électroluminescentes (figure 14G), par exemple par gravure successive des couches semiconductrices et de la couche métallique 90. 30 (8') Formation du réseau de diffraction 46 de chaque dispositif optoélectronique 30 par gravure partielle de la portion périphérique 36 de la couche semiconductrice 32 (figure 14G). Les électrodes 44 sont reliées entre elles par des éléments non représentés (par exemple par un plan conducteur 35 transparent ou par un niveau supplémentaire isolant puis 3059787 B15353 - DD17339HB 23 conducteur) pour former une cathode commune. Les diodes électroluminescentes sont adressées individuellement coté anode par la matrice active (plots 85) et contact commun de cathode. Les figures 15A à 15D illustrent des étapes successives 5 d'un mode de réalisation d'un procédé de réalisation d'un réseau de diffraction 46 tel que celui représenté en figure 8 pour lequel la direction d'émission du rayonnement électromagnétique par le réseau de diffraction 46 n'est pas orthogonale à la face avant du dispositif optoélectronique. 10 Ce procédé tire parti de la relation (X) décrite précédemment. En effet, cette relation signifie que lorsque l'angle R est égal à l'angle (1), l'angle 0, est également égal à l'angle (p. Pour cette direction particulière, les anneaux du réseau de diffraction sont orientés selon cette même direction. 15 Le procédé comprend les étapes successives suivantes : - détermination du squelette de chaque anneau dans la direction (1) en tenant compte du fait que les anneaux sont parfaitement équidistants le long de la direction (1) d'une distance P(9) donnée par la relation (VIII) (figure 15A) ; 20 - détermination le long de la direction (1) des extrémités latérales E de chaque anneau, suivant le facteur de remplissage f choisi qui peut être égal à 50 % (figure 15B) ; et - détermination pas à pas des anneaux par révolution, en créant de nouveaux points générés par la tangente donnée par 25 le vecteur fet en chaque point donné par p, obtenu par la relation (VII) (figures 15C et 15D). Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. Bien que dans les modes de réalisation décrits 30 précédemment, les réseaux de diffraction comprennent des anneaux, la structure des réseaux de diffraction peut être différente. REVENDICATIONS1. Dispositif optoélectronique (30 ; 60) comprenant une zone active (18) adaptée à fournir un rayonnement électromagnétique et prise en sandwich entre des première et deuxième couches semiconductrices (14, 32), la première couche semiconductrice délimitant une face (38) et comprenant une première portion (34) au contact de zone active et délimitant une première partie (40) de la face et se prolongeant par une deuxième portion (36) délimitant une deuxième partie (42) de la face, la deuxième portion formant un guide d'onde monomode, le dispositif optoélectronique comprenant une portion (44) opaque et réfléchissante au rayonnement électromagnétique recouvrant la première partie et comprenant un réseau de diffraction (46) sur la deuxième partie adapté à extraire le rayonnement électromagnétique de la deuxième portion selon une direction sensiblement perpendiculaire à la première partie à 10° près. 2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur de la deuxième portion (36) est comprise entre 0,05 pin et 0,2 gm. 3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 20 2, dans lequel l'épaisseur de la première portion (34) est supérieure strictement à l'épaisseur de la deuxième portion (36). 4. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la dimension latérale de la deuxième portion (36) est supérieure à la longueur d'onde dudit 25 rayonnement électromagnétique. 5 Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le réseau de diffraction (46) comprend des anneaux (48). 6. Dispositif optoélectronique selon la revendication 30 5, dans lequel les anneaux (48) sont circulaires. 7. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant, en outre, une couche (62) d'un matériau au moins en partie transparent audit rayonnement électromagnétique recouvrant au moins le réseau de diffraction 3059787 B15353 - DD17339HB 25 (46) et dont l'indice de réfraction à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique est comprise entre l'indice de réfraction de la première couche semiconductrice (32) à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique et l'indice 5 de réfraction de l'air à la longueur d'onde dudit rayonnement électromagnétique. 8. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'épaisseur h de la deuxième portion (36) vérifie la relation (I) suivante : 10 h