Brevet FR3059828A1 — publié le 20180608

B15354 - DD17183HB 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. 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. 3059828 B15354 - DD17183HB 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 d'un premier type de conductivité, par exemple dopée de type P, une couche semiconductrice 16 dopée d'un deuxième type de 20 conductivité opposé au premier type, par exemple dopée de type N, et une zone active 18 prise en sandwich entre les couches semiconductrices 14 et 16. La couche semicondutrice 16 comprend une face 20, appelée face d'émission ou face avant, 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. Le dispositif électronique 10 comprend, en outre, un plot conducteur électriquement, non représenté, relié à la couche semiconductrice 16. Le dispositif optoélectronique 10 comprend, en outre, une portion isolante électriquement 26 délimitant latéralement la couche semiconductrice 14 et la zone active 18. Les plots conducteurs permettent d'alimenter la zone active 18 pour l'émission d'un rayonnement électromagnétique. 3059828 B15354 - DD17183HB 3 Une partie du rayonnement électromagnétique s'échappe directement par la face d'émission 20 sans que les ondes électromagnétiques ne se réfléchissent sur les parois du dispositif optoélectronique 10. Ce mode de propagation du 5 rayonnement électromagnétique est appelé mode radiatif direct et est représenté de façon schématique en figure 1 par des fronts 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 10 est importante, plus le dispositif optoélectronique est directif. Les rayons lumineux du mode radiatif direct sont sensiblement orthogonaux à la face d'émission 20 de sorte que le dispositif optoélectronique 10 est directif lorsque seul le mode radiatif direct est présent. Toutefois, le faisceau qui s'échappe du 15 dispositif optoélectronique 10 dû au mode radiatif direct est généralement divergent. En figure 1, on a représenté le demi-angle de divergence 0e du faisceau émis par le dispositif optoélectronique 10. Une partie du rayonnement électromagnétique se réfléchit 20 sur les parois du dispositif optoélectronique 10 selon différents 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 25 électromagnétique qui se propage selon des modes guidés peut rester piégée dans le dispositif optoélectronique 10. Il est connu de former un réseau périodique de diffraction sur la face avant 20 pour augmenter l'efficacité d'extraction du dispositif optoélectronique 10. Un réseau 30 périodique de diffraction comprend, par exemple, des rainures rectilignes ou circulaires formées dans la face avant 20. Un tel réseau présente au moins une symétrie, par exemple une symétrie axiale, une symétrie par rapport à un plan ou une symétrie de révolution autour d'un axe, et comprend, dans un plan contenant l'axe de symétrie ou dans le plan de symétrie, un motif (portions 3059828 B15354 - DD17183HB 4 en creux et/ou portions en relief) répété de façon périodique. Le réseau de diffraction permet d'extraire au moins en partie le rayonnement se propageant la couche semiconductrice 16 selon des modes guidés. 5 Toutefois, un inconvénient du réseau périodique de diffraction est qu'il dégrade la directivité du dispositif optoélectronique 10. En effet, la direction d'émission du rayonnement par le réseau périodique de diffraction dépend du mode guidé. L'épaisseur de la couche semiconductrice 16 peut être 10 supérieure à quelques micromètres de sorte que le dispositif optoélectronique 10 présente généralement de nombreux modes guidés qui sont extraits par le réseau périodique de diffraction selon des directions d'émission différentes. Résumé 15 Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs optoélectroniques décrits précédemment, notamment des dispositifs optoélectroniques comprenant des réseaux périodiques de diffraction. Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter 20 l'efficacité d'extraction du dispositif optoélectronique. Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter la directivité du rayonnement électromagnétique émis par le dispositif optoélectronique. Un autre objet d'un mode de réalisation est de réduire 25 la divergence du faisceau émis par le 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 30 semiconductrice délimitant une face, le dispositif optoélectronique comprenant, en outre, un réseau de diffraction adapté à extraire le rayonnement électromagnétique de la première couche semiconductrice, le réseau de diffraction comprenant des trous s'étendant dans la première couche semiconductrice depuis 35 ladite face, la largeur des trous mesurée dans un plan parallèle 3059828 B15354 - DD17183HB 5 à ladite face augmentant depuis une partie centrale du réseau de diffraction jusqu'à une partie périphérique du réseau de diffraction. Selon un mode de réalisation, le réseau de diffraction 5 comprend des rainures annulaires. Selon un mode de réalisation, les rainures annulaires sont concentriques. Selon un mode de réalisation, les trous sont agencés en rangées et en colonnes. 10 Selon un mode de réalisation, les trous sont à section droite circulaire, ellipsoïdale ou polygonale. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la première couche semiconductrice est comprise entre lpm et 10gm. Selon un mode de réalisation, la profondeur des trous 15 est comprise entre 30nm et 3pm. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième couches semiconductrices sont au moins en partie formées à partir d'au moins un matériau semiconducteur choisi parmi le groupe comprenant les composés III-V, les composés II-VI ou les 20 semiconducteurs ou composés du groupe IV. Selon un mode de réalisation, la distance entre les points milieu de deux trous adjacents selon une direction radiale du réseau de diffraction est inférieure à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. 25 Un mode de réalisation prévoit également un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comprenant une zone active adapté à fournir un rayonnement électromagnétique prise en sandwich entre des première et deuxième couches semiconductrices, la première couche semiconductrice délimitant une face, le procédé 30 comprenant la formation d'un réseau de diffraction adapté à extraire le rayonnement électromagnétique de la première couche semiconductrice, le réseau de diffraction comprenant des trous s'étendant dans la première couche semiconductrice depuis ladite face, la largeur des trous mesurée dans un plan parallèle à ladite 35 face augmentant depuis une partie centrale du réseau de 3059828 B15354 - DD17183HB 6 diffraction jusqu'à une partie périphérique du réseau de diffraction. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de détermination de la profondeur h des trous et de 5 détermination, pour chaque trou, d'un facteur de remplissage f égal au rapport de la largeur, mesurée radialement depuis un centre du réseau de diffraction, dudit trou et la distance, mesurée radialement, entre les points milieu de deux trous adjacents selon une direction radiale du réseau de diffraction, 10 le facteur de remplissage f et la hauteur h étant déterminés selon les relations suivantes : 1V(F-h)2 -Fr2 -(F-h)1 fi(r) =fi(0) ni h fi(r) = -',/f(r)ne2 +(1-f(r))ni2 F- Rcos((neini)sinee) (neini)sinee 15 où r est la distance entre le point milieu du trou et le centre, R est le rayon, mesuré depuis le centre, du cercle circonscrit au réseau de diffraction, ni est l'indice de réfraction de la première couche semiconductrice à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique, ne est l'indice de réfraction du milieu au 20 contact de la première couche semiconductrice à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique, û, est le demi-angle de divergence du faisceau émis par le dispositif optoélectronique en l'absence du réseau de diffraction, et h(r) est l'indice de réfraction moyen à la distance r qui permet, en l'absence du 25 réseau de diffraction, d'obtenir la même déviation d'un rayon extrait hors de la première couche semiconductrice que celle obtenue en présence du réseau de diffraction. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 30 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un exemple d'un dispositif 35 optoélectronique à diode électroluminescente ; 3059828 B15354 - DD17183HB 7 la figure 2 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique à diode électroluminescente ; les figures 3 et 4 sont des vues de dessus, partielles 5 et schématiques, de modes de réalisation d'un réseau de diffraction du dispositif optoélectronique de la figure 2 ; les figures 5A à 51 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 d'un 10 dispositif optoélectronique du type de celui représenté sur la figure 2 ; et les figures 6A à 6J sont des vues en coupe, partielles et schématiques, des structures obtenues à des étapes successives d'un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un 15 dispositif optoélectronique du type de celui représenté sur la figure 2. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. Par souci de clarté, 20 seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la structure de la zone active d'une diode électroluminescente est bien connue de l'homme du métier et n'est pas décrite en détail par la suite. Sauf précision contraire, les 25 expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La figure 2 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 30 à diode électroluminescente. 30 Le dispositif optoélectronique 30 comprend l'ensemble des éléments du dispositif optoélectronique 10 représentée en figure 1 à la différence qu'il comprend, en outre, un réseau de diffraction 32 formé dans la couche semiconductrice 16 depuis la face avant 20. Le réseau de diffraction 32 comprend des ouvertures 35 non traversantes 36, ou trous borgnes, qui s'étendent dans la 3059828 B15354 - DD17183HB 8 couche semiconductrice 16 depuis la face 20 sur une partie de l'épaisseur de la couche semiconductrice 16. Les trous 36 délimitent des portions 34 de la couche semiconductrice 16 en relief par rapport au fonds des trous 36. 5 Dans le présent mode de réalisation, la face avant 20 est au contact de l'air. A titre de variante, le dispositif optoélectronique 30 peut comprendre au moins une couche supplémentaire qui recouvre la couche semiconductrice 16 et qui est sensiblement transparente à la longueur d'onde du rayonnement 10 électromagnétique émis par la zone active 18. Dans ce cas, la couche supplémentaire pénètre notamment dans les trous 36. Selon un mode de réalisation, le réseau de diffraction 32 n'a pas de structure périodique. Cela signifie qu'il n'y a pas de plan de coupe dans lequel le réseau de diffraction 32 présente 15 un motif qui est répété de façon périodique. Selon un mode de réalisation, la dimension latérale ou largeur des portions en relief 34 et/ou la dimension latérale ou largeur des trous 36, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z, présente un gradient. Selon un mode de réalisation, la dimension des trous 20 36 augmente depuis une région centrale du réseau de diffraction 32 vers la périphérie du réseau de diffraction 32. Selon un mode de réalisation, la dimension des portions en relief 34 diminue depuis une région centrale du réseau de diffraction 32 vers la périphérie du réseau de diffraction 32. La largeur des portions 25 en relief 34 et/ou la largeur des trous 36, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z, est à une échelle nanométrique, c'est-à-dire comprise entre 20 nm et 200 nm. De préférence, les trous 36 ont tous sensiblement la même profondeur h. La structure apériodique du réseau de diffraction 32 30 permet, de façon avantageuse, de réduire la divergence du faisceau émis par le dispositif optoélectronique 30. En effet, pour le rayonnement électromagnétique émis par la zone active 18 et se propageant selon le mode radiatif direct, tout se passe sensiblement comme si le réseau de diffraction 32 était remplacé 35 par une couche superficielle présente en surface de la couche 3059828 B15354 - DD17183HB 9 semiconductrice 16 et dont l'indice de réfraction à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique émis par la zone active 18 présente un gradient dans un plan perpendiculaire à la direction Z, l'indice de réfraction local diminuant du centre du 5 réseau de diffraction 32 jusqu'à la périphérie du réseau de diffraction 32. Le gradient de l'indice de réfraction local de la couche superficielle vu par le rayonnement électromagnétique entraîne une meilleure collimation du faisceau émis par le dispositif optoélectronique 30, c'est-à-dire une diminution du 10 demi-angle de divergence 0e du faisceau émis par le dispositif optoélectronique 30. En outre, la structuration du réseau de diffraction 32 à une échelle nanométrique crée un abaissement de l'indice de réfraction local au niveau de la face avant 20 par rapport à 15 l'indice du reste de la couche semiconductrice 16. Ceci entraîne une réduction de la réflexion à l'interface entre la couche semiconductrice 16 et la couche d'air adjacente et donc une réduction de l'excitation des modes guidés. L'efficacité d'extraction du dispositif optoélectronique 30 est ainsi 20 augmentée. En outre, comme la proportion du rayonnement électromagnétique se propageant dans la couche semiconductrice 16 selon des modes guidés diminue, la proportion des modes guidés qui sont extraits par le réseau de diffraction 32 diminue. La directivité du dispositif optoélectronique 30 est donc augmentée. 25 La figure 3 est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un mode de réalisation du réseau de diffraction 32 dans lequel les ouvertures 36 correspondent à des trous de section droite circulaire, ellipsoïdale ou polygonale, par exemple carrée comme cela est représenté en figure 3. Selon un mode de 30 réalisation, les trous 36 sont agencés en rangées et en colonnes. Bien que le réseau de diffraction 32 présente une certaine régularité, il est néanmoins apériodique dans la mesure où les dimensions des trous 36 ne sont pas constantes. La section droite des trous augmente en s'éloignant du centre 0 du réseau de 35 diffraction 32. 3059828 B15354 - DD17183HB 10 La figure 4 est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation du réseau de diffraction 32 dans lequel les trous 36 correspondent à des rainures circulaires et concentriques. Dans le présent mode de 5 réalisation, le réseau de diffraction 32 est à symétrie de révolution. Selon un mode de réalisation, la largeur des rainures 36 augmente en s'éloignant du centre 0 du réseau de diffraction 32. On repère un point M du réseau de diffraction 32 par le 10 rayon r, mesuré dans un plan perpendiculaire à la direction Z, entre les points M et le centre 0 du réseau de diffraction 32. Le réseau de diffraction 32 peut être caractérisé par différentes relations qui vont être détaillées par la suite. Dans ce but, on utilise les notations suivantes : 15 h est la profondeur, également appelé hauteur, des trous 36 ; ni est l'indice de réfraction du milieu composant la couche semiconductrice 16 à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique fourni par la zone active 18 ; 20 ne est l'indice de réfraction du milieu adjacent à la couche semiconductrice 16 à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique fourni par la zone active 18, par exemple l'indice de l'air dans le présent mode de réalisation ; P est la pseudopériode du réseau de diffraction 32, et 25 correspond à la distance entre des "points milieu" de trous 36 adjacents mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z selon une direction radiale. Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, la pseudopériode P correspond à la distance, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z, 30 entre les centres de trous 36 adjacents et alignés avec le centre O. Dans le mode de réalisation représenté en figure 4, la pseudopériode P correspond à la distance, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z selon une direction radiale, entre les squelettes de deux rainures 36 adjacentes, le squelette 35 d'une rainure étant la courbe correspondant au lieu géométrique 3059828 B15354 - DD17183HB 11 des points situés à égale distance, mesurée radialement, des bords de la rainure ; R est le rayon maximal du cercle dans lequel est inscrit, en vue de dessus, le réseau de diffraction 32 ; 5 f(r) est le facteur de remplissage local du réseau de diffraction 32 défini au point M comme le rapport de la largeur, mesurée radialement, du trou 36 le plus proche du point M sur la pseudopériode P ; et n(r) est l'indice de réfraction moyen au point M à la 10 longueur d'onde du rayonnement électromagnétique émis par la zone active 18, c'est-à-dire l'indice de réfraction que devrait avoir la couche semiconductrice 16 sur l'épaisseur h pour obtenir, en l'absence du réseau de diffraction 32, la même déviation d'un rayon extrait hors de la couche semiconductrice 16 que celle 15 obtenue en présence du réseau de diffraction. La pseudopériode P traduit le fait que le réseau de diffraction 32 présente une certaine régularité. Toutefois, le réseau de diffraction 32 est un réseau apériodique dans la mesure où il ne comprend pas de motif reproduit de façon périodique. 20 Les expressions de la pseudopériode P, du facteur de remplissage local f(r) et de l'indice de réfraction moyen n(r) sont données par la suite par des fonctions continues qui dépendent notamment du rayon r. Toutefois, ces fonctions sont à appliquer de manière discrète en chaque trou 36 et/ou chaque portion en 25 relief 34 du réseau de diffraction. Pour pouvoir considérer que le réseau de diffraction 32 se comporte comme une couche superficielle avec l'indice de réfraction local ii(r), la pseudopériode P doit vérifier la relation (1) suivante : 30 P REVENDICATIONS1. Dispositif optoélectronique (30) comprenant une zone active (18) adaptée à fournir un rayonnement électromagnétique et prise en sandwich entre des première et deuxième couches semiconductrices (14, 16), la première couche semiconductrice 5 délimitant une face (20), le dispositif optoélectronique comprenant, en outre, un réseau de diffraction (32) adapté à extraire le rayonnement électromagnétique de la première couche semiconductrice, le réseau de diffraction comprenant des trous (36) s'étendant dans la première couche semiconductrice depuis 10 ladite face, la largeur des trous mesurée dans un plan parallèle à ladite face augmentant depuis une partie centrale du réseau de diffraction jusqu'à une partie périphérique du réseau de diffraction. 2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 15 1, dans lequel les trous (36) comprennent des rainures annulaires. 3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, dans lequel les rainures annulaires (36) sont concentriques. 4. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel les trous (36) sont agencés en rangées et en 20 colonnes. 5. Dispositif optoélectronique selon la revendication 4, dans lequel les trous (34) sont à section droite circulaire, ellipsoïdale ou polygonale. 6. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque 25 des revendications 1 à 5, dans lequel l'épaisseur de la première couche semiconductrice (16) est comprise entre lpm et 10gm. 7. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la profondeur des trous (36) est comprise entre 30nm et 3pm. 30 8. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les première et deuxième couches semiconductrices (14, 16) sont au moins en partie formées à partir d'au moins un matériau semiconducteur choisi parmi le 3059828 B15354 - DD17183HB 21 groupe comprenant les composés III-V, les composés II-VI ou les semiconducteurs ou composés du groupe IV. 9. Dispositif optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la distance entre les points milieu de deux trous (36) adjacents selon une direction radiale du réseau de diffraction (32) est inférieure à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique (30) comprenant une zone active (18) adapté à fournir un rayonnement électromagnétique prise en sandwich entre des première et deuxième couches semiconductrices (14, 16), la première couche semiconductrice délimitant une face (20), le procédé comprenant la formation d'un réseau de diffraction (32) adapté à extraire le rayonnement électromagnétique de la première couche semiconductrice, le réseau de diffraction comprenant des trous (36) s'étendant dans la première couche semiconductrice depuis ladite face, la largeur des trous mesurée dans un plan parallèle à ladite face augmentant depuis une partie centrale du réseau de diffraction jusqu'à une partie périphérique du réseau de diffraction. 11. Procédé selon la revendication 10, comprenant une étape de détermination de la profondeur h des trous (36) et de détermination, pour chaque trou, d'un facteur de remplissage f égal au rapport de la largeur, mesurée radialement depuis un centre (0) du réseau de diffraction (32), dudit trou et la distance, mesurée radialement, entre les points milieu de deux trous adjacents selon une direction radiale du réseau de diffraction, le facteur de remplissage f et la hauteur h étant déterminés selon les relations suivantes : 1V(F-h)2 -Fh r2 -(F -h)1 3 0 fi(r)=fi(0) ni fi(r)= -',/f(r)ne2 +(1-f(r))ni2 F- Rcos((neini)sinee) (neini)sinee où r est la distance entre le point milieu du trou (36) et le centre, R est le rayon, mesuré depuis le centre, du cercle 35 circonscrit au réseau de diffraction, ni est l'indice de réfraction 3059828 B15354 - DD17183HB 22 de la première couche semiconductrice (16) à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique, ne est l'indice de réfraction du milieu au contact de la première couche semiconductrice à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique, û, est le demi-5 angle de divergence du faisceau émis par le dispositif optoélectronique en l'absence du réseau de diffraction, et ri(r) est l'indice de réfraction moyen à la distance r qui permet, en l'absence du réseau de diffraction, d'obtenir la même déviation d'un rayon extrait hors de la première couche semiconductrice que 10 celle obtenue en présence du réseau de diffraction.