Brevet FR3066045A1 — publié le 20181109

DIODE ELECTROLUMINESCENTE COMPRENANT DES COUCHES DE CONVERSION EN LONGUEUR D'ONDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÃRIEUR L'invention concerne le domaine des diodes Ã©lectroluminescentes (appelÃ©es DEL ou LED) comprenant un ou plusieurs puits quantiques, ainsi que celui des dispositifs d'affichage comprenant de telles LEDs. L'invention concerne avantageusement une LED apte Ã Ã©mettre une lumiÃ¨re verte et/ou rouge. Pour rÃ©aliser une LED Ã©mettant une lumiÃ¨re de couleur verte, ce qui correspond Ã une Ã©mission lumineuse comprise entre environ 500 nm et 580 nm, ou par exemple de l'ordre de 525 nm ou 530 nm, il est connu de former des puits quantiques avec des couches Ã©missives d'InGaN chacune disposÃ©e entre deux couches barriÃ¨res de GaN. Une telle LED est toutefois peu efficace du fait de la dÃ©gradation de la qualitÃ© de l'InGaN rÃ©alisÃ© quand la quantitÃ© d'indium augmente dans les couches Ã©missives (en raison de l'augmentation de la diffÃ©rence de paramÃ¨tre de maille entre l'InGaN et le GaN lorsque la proportion d'indium dans les couches Ã©missives augmente). Une maniÃ¨re de contourner ce problÃ¨me est d'utiliser une LED comportant une premiÃ¨re partie formant une structure d'Ã©mission apte Ã Ã©mettre une lumiÃ¨re de couleur bleu, par exemple Ã une longueur d'onde comprise entre environ 440 nm et 450 nm, couplÃ©e Ã une deuxiÃ¨me partie formant une structure de conversion en longueur de la lumiÃ¨re Ã©mise par la structure d'Ã©mission, et comportant des couches de conversion rÃ©alisant une conversion de la lumiÃ¨re bleue en une lumiÃ¨re verte. Une telle structure d'Ã©mission Ã©mettant une lumiÃ¨re bleue peut Ãªtre rÃ©alisÃ©e Ã partir de puits quantiques dans lesquels les couches Ã©missives comportent de l'InGaN avec un taux, ou une concentration, d'indium de l'ordre de 16%, et dans lesquels les couches barriÃ¨res comportent du GaN. Les couches de conversion peuvent comporter Ã©galement des puits quantiques. 3066045 2 Cette approche est particuliÃ¨rement intÃ©ressante dans le cas de dispositifs d'affichage par Ã©mission directe car elle permet potentiellement de convertir la lumiÃ¨re bleue sur de faibles Ã©paisseurs. Par exemple, dans le cas d'un micro-Ã©cran dotÃ© de pixels rÃ©alisÃ©s avec un pas de l'ordre de 10 um, la conversion de la lumiÃ¨re bleue en 5 lumiÃ¨re verte est rÃ©alisÃ©e sur une Ã©paisseur de l'ordre de 10 um. Pour rÃ©aliser de telles couches de conversion, il est possible d'utiliser des puits quantiques GaN/InGaN. Cependant, de telles couches de conversion se confrontent Ã deux problÃ¨mes : - Tout d'abord, au sein de la structure de conversion, l'absorption de la 10 lumiÃ¨re bleue Ã©mise par la structure d'Ã©mission est rÃ©alisÃ©e uniquement dans les couches Ã©missives d'InGaN. Du fait que ces couches Ã©missives ont une faible Ã©paisseur, la lumiÃ¨re bleue est faiblement absorbÃ©e. En raison de cette faible absorption de la lumiÃ¨re reÃ§ue par les couches de conversion, pour convertir au moins 80 % de la lumiÃ¨re bleue incidente Ã©mise par la LED et reÃ§ue par les couches de conversion, il est nÃ©cessaire 15 d'utiliser au moins 20 puits quantiques d'InGaN ayant chacun une Ã©paisseur d'environ 3 nm. Avec un tel nombre de puits quantiques, la qualitÃ© de l'InGaN peut se dÃ©grader, comme dans des couches Ã©paisses d'InGaN. De plus, ce nombre important de niveaux confinÃ©s Ã©largit la bande de longueurs d'ondes d'Ã©mission et induit Ã©galement des problÃ¨mes de rÃ©absorption de la lumiÃ¨re, Ã©mise depuis un premier puits, par un 20 deuxiÃ¨me puits voisin au premier. - De plus, pour Ã©mettre une lumiÃ¨re verte de longueur d'onde de l'ordre de 525 nm, le taux, ou la concentration, d'indium dans les couches Ã©missives d'InGaN de la structure de conversion est Ã©gale Ã environ 25 %. Avec une telle concentration, il existe une forte diffÃ©rence de paramÃ¨tre de maille entre l'InGaN des 25 couches Ã©missives et le GaN des couches barriÃ¨res sur lesquelles les couches Ã©missives sont rÃ©alisÃ©es. Les couches Ã©missives rÃ©alisÃ©es sont donc de trÃ¨s mauvaise qualitÃ©. Ainsi, avec de tels puits quantiques GaN/InGaN, les couches de conversion sont inefficaces, les efficacitÃ©s de conversion (rapport du nombre de photons absorbÃ©s sur le nombre de photons rÃ©Ã©mis Ã la longueur d'onde souhaitÃ©e) obtenues Ã©tant infÃ©rieures Ã 20%. 3066045 3 Des problÃ¨mes similaires se posent pour la rÃ©alisation d'une LED rouge, ce qui correspond Ã une Ã©mission lumineuse comprise entre environ 590 nm et 800 nm, comprenant des couches de conversion Ã puits quantiques GaN/InGaN destinÃ©es Ã convertir une lumiÃ¨re bleue en une lumiÃ¨re rouge, du fait que les concentrations en 5 indium dans les couches Ã©missives d'InGaN doivent dans ce cas Ãªtre de l'ordre de 30 %, voire 40%. EXPOSÃ DE L'INVENTION Un but de la prÃ©sente invention est de proposer une diode Ã©lectroluminescente apte Ã Ã©mettre une lumiÃ¨re de couleur verte ou rouge ayant une 10 bonne efficacitÃ© de conversion. Pour cela, la prÃ©sente invention propose une diode Ã©lectroluminescente comprenant au moins : - une structure d'Ã©mission d'une lumiÃ¨re Ã au moins une premiÃ¨re longueur d'onde X1, comportant une jonction p-n dans laquelle est disposÃ©e une zone 15 active incluant au moins un premier puits quantique formÃ© par une premiÃ¨re couche Ã©missive comportant de l'InxiGai_xiN disposÃ©e entre deux premiÃ¨res barriÃ¨res ; - une structure de conversion apte Ã convertir la lumiÃ¨re destinÃ©e Ã Ãªtre Ã©mise par la structure d'Ã©mission Ã au moins une deuxiÃ¨me longueur d'onde Ã2 diffÃ©rente de la premiÃ¨re longueur d'onde X1, disposÃ©e sur la structure d'Ã©mission et 20 comprenant au moins un deuxiÃ¨me puits quantique formÃ© par une deuxiÃ¨me couche Ã©missive d'Inx2Ga1_x2N, disposÃ©e entre deux deuxiÃ¨mes barriÃ¨res comprenant chacune plusieurs premiÃ¨res couches d'absorption d'Inx3Ga1_x3N sÃ©parÃ©es les unes des autres par au moins une premiÃ¨re intercouche de GaN ; dans laquelle les concentrations en indium X1, X2 et X3 sont telles que 25 0 Eg(InxiGai_xiN). Ceci est dÃ» au confinement quantique car l'Ã©mission dans la structure d'Ã©mission 15 s'effectue Ã une Ã©nergie lÃ©gÃ¨rement supÃ©rieure Ã Eg(InxiGai_xiN). L'Ã©nergie h.cfiti est d'autant supÃ©rieure Ã Eg(InxiGai_xiN) que les puits dans la structure d'Ã©mission sont fins. Toutefois, il est possible d'avoir les concentrations en indium X1 et X3 telles que X3 REVENDICATIONS1. Diode Ã©lectroluminescente (100) comprenant au moins : - une structure d'Ã©mission (102) d'une lumiÃ¨re Ã au moins une premiÃ¨re longueur d'onde X1, comportant une jonction p-n (106, 108) dans laquelle est disposÃ©e une zone active (110) incluant au moins un premier puits quantique formÃ© par une premiÃ¨re couche Ã©missive (112) comportant de l'InxiGai_xiN disposÃ©e entre deux premiÃ¨res barriÃ¨res (114) ; une structure de conversion (104) apte Ã convertir la lumiÃ¨re destinÃ©e Ã Ãªtre Ã©mise par la structure d'Ã©mission (102) Ã au moins une deuxiÃ¨me longueur d'onde Ã2 diffÃ©rente de la premiÃ¨re longueur d'onde X1, disposÃ©e sur la structure d'Ã©mission (102) et comprenant au moins un deuxiÃ¨me puits quantique formÃ© par une deuxiÃ¨me couche Ã©missive (118) d'Inx2Ga1_x2N, disposÃ©e entre deux deuxiÃ¨mes barriÃ¨res (120) comprenant chacune plusieurs premiÃ¨res couches d'absorption (122) d'Inx3Ga1_x3N sÃ©parÃ©es les unes des autres par au moins une premiÃ¨re intercouche (124) de GaN ; dans laquelle les concentrations en indium X1, X2 et X3 sont telles que 0 2. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon la revendication 1, dans laquelle l'Ã©paisseur totale de la structure de conversion (104) est supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 40 nm, ou supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 60 nm. 3066045 19 3. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle les concentrations en indium X1 et X3 sont telles que XI. 4. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications 5 prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle la structure de conversion comporte un nombre de deuxiÃ¨mes puits quantiques compris entre 1 et 50. 5. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle chacune des premiÃ¨res barriÃ¨res (114) comporte une couche 10 de GaN. 6. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle la concentration en indium X1 est comprise entre environ 0,09 et 0,18, et/ou dans laquelle la concentration en indium X2 est telle que X2 0,22, et/ou 15 dans laquelle la concentration en indium X3 est telle que 0,08 X3 0,22. 7. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle chaque premiÃ¨re couche d'absorption (122) qui n'est pas disposÃ©e contre la deuxiÃ¨me couche Ã©missive (118) a une Ã©paisseur infÃ©rieure Ã 9 nm, 20 et/ou dans laquelle l'Ã©paisseur totale de la deuxiÃ¨me couche Ã©missive (118) et de deux premiÃ¨res couches d'absorption (122) disposÃ©es contre la deuxiÃ¨me couche Ã©missive (118) est infÃ©rieure Ã 9 nm. 8. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications 25 prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle chaque premiÃ¨re intercouche (124) a une Ã©paisseur comprise entre 1 et 4 monocouches atomiques. 9. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle chacune des deuxiÃ¨mes barriÃ¨res (120) comporte deux premiÃ¨res couches d'absorption (122) et une premiÃ¨re intercouche (124). 3066045 20 10. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle la structure de conversion (104) comporte au moins un troisiÃ¨me puits quantiques formÃ© par une troisiÃ¨me couche Ã©missive (118) d'Inx4Ga1_x4N, 5 disposÃ©e entre deux troisiÃ¨mes barriÃ¨res (120) comprenant chacune plusieurs deuxiÃ¨mes couches d'absorption (122) d'Inx5Ga1_x5N sÃ©parÃ©es les unes des autres par au moins une deuxiÃ¨me intercouche (124) de GaN, dans laquelle les concentrations en indium X4 et X5 sont telles que X1 11. Diode Ã©lectroluminescente (100) selon la revendication 10, dans laquelle la concentration en indium X2 est comprise entre 0,22 et 0,25, et dans laquelle la concentration en indium X4 est comprise entre 0,3 et 0,4. 15 12. ProcÃ©dÃ© de rÃ©alisation d'au moins une diode Ã©lectroluminescente (100), comprenant au moins : - rÃ©alisation d'une structure d'Ã©mission (102) d'une lumiÃ¨re Ã au moins une premiÃ¨re longueur d'onde X1, comportant une jonction p-n (106, 108) dans laquelle est disposÃ©e une zone active (110) incluant au moins un premier puits quantique formÃ© 20 par une premiÃ¨re couche Ã©missive (112) comportant de l'InxiGai_xiN disposÃ©e entre deux premiÃ¨res barriÃ¨res (114) ; - rÃ©alisation d'une structure de conversion (104) apte Ã convertir la lumiÃ¨re destinÃ©e Ã Ãªtre Ã©mise par la structure d'Ã©mission (102) Ã au moins une deuxiÃ¨me longueur d'onde Ã2 diffÃ©rente de la premiÃ¨re longueur d'onde X1, disposÃ©e sur la 25 structure d'Ã©mission (102) et comprenant au moins un deuxiÃ¨me puits quantique formÃ© par une deuxiÃ¨me couche Ã©missive (118) d'Inx2Ga1_x2N, disposÃ©e entre deux deuxiÃ¨mes barriÃ¨res (120) comprenant chacune plusieurs premiÃ¨res couches d'absorption (122) d'Inx3Ga1_x3N sÃ©parÃ©es les unes des autres par au moins une premiÃ¨re intercouche (124) de GaN ; 3066045 21 dans lequel les concentrations en indium X1, X2 et X3 sont telles que 0 13. ProcÃ©dÃ© de rÃ©alisation selon la revendication 12, dans lequel les couches (106, 108, 112, 114, 118, 122, 124) de la structure d'Ã©mission (102) et de la structure de conversion (104) sont rÃ©alisÃ©es par Ã©pitaxie.