Brevet FR3132961A1 — publié le 20230825

Dispositif opto-électronique à structure anti-reflet sub-longueur d’onde, écran et procédé de fabrication associés Dispositif (1) opto-électronique comprenant une structure émissive (2) dont une partie au moins est formée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs, configurée pour produire un rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique, ledit rayonnement lumineux étant produit au sein de la structure émissive et ayant une longueur d’onde moyenne λ, la structure émissive ayant un indice optique moyen n et étant délimitée par une surface de sortie (4), par laquelle sort une partie au moins dudit rayonnement lumineux, le dispositif comportant en outre une structure anti-reflet (3) comprend un réseau périodique sub-longueur d’onde qui comporte des parties en creux (7) et des parties en saillie (6) formant une structure périodique de pas ( a ) inférieur à λ/[2.n]. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2 Dispositif opto-électronique à structure anti-reflet sub-longueur d’onde, écran et procédé de fabrication associés Le domaine technique est celui de la micro-électronique, plus particulièrement celui des dispositifs opto-électroniques d’émission de lumière, tels que les diodes électroluminescentes, par exemple. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les sources lumineuses à base de semi-conducteurs, tels que les diodes électroluminescentes ou les diodes lasers, sont de plus en plus utilisées et connaissent un développement soutenu depuis de nombreuses années. Dernièrement, des avancées importantes ont été réalisées dans le domaine des microLEDs et écrans à microLEDs, ainsi que dans le domaine des LEDs de plus grandes dimensions (et de plus forte puissance) destinées à l’éclairage. Quoiqu’il en soit, pour les structures émissives dites « à émission par la surface », comme les LEDs (pour « Light Emiting Diode », en anglais), ou les VCSELs (pour « Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser », en anglais), un enjeu important est de limiter les rétro-réflexions au niveau de la surface de sortie du rayonnement. En effet, le ou les matériaux semiconducteurs formant ces structures émissives ont des indices optiques qui sont généralement beaucoup plus élevés que l’indice optique du milieu dans lequel sort le rayonnement, par exemple de l’air (ou un matériau de remplissage transparent, comme de l’oxyde de silicium). Sans précautions particulières, cette forte différence d’indices cause une réflexion importante au niveau de la surface de sortie de la structure émissive, pour le rayonnement produit, et cela même en incidence normale, réduisant ainsi la quantité de lumière finalement délivrée par la structure. Pour réduire le coefficient de réflexion, la structure émissive présente au niveau de cette surface de sortie, une couche anti-reflet, formée d’un matériau homogène d’indice n AR , qui peut être déposée sur cette surface. Une transmission maximale est obtenue lorsque la couche anti-reflet a une épaisseur égale à d’épaisseur λ/(4.n AR ), et lorsque l’indice n AR est égal à , n étant l’indice optique moyen de la structure émissive, n out étant l’indice du milieu dans lequel sort le rayonnement lumineux, et λ étant la longueur d’onde moyenne du rayonnement émis (longueur d’onde dans le vide). En pratique, on choisit, parmi les différents matériaux envisageables (matériaux qui doivent être transparents et adaptés à un dépôt en couche mince), celui dont l’indice est le plus proche de la valeur optimale . Mais en général, l’indice de ce matériau n’est pas tout à fait égal à cette valeur optimale, si bien qu’une réflexion résiduelle plus ou moins importante persiste, au niveau de la surface de sortie. Dans ce contexte, l’article “Improved Device Performance of AlGaInP-Based Vertical Light-Emitting Diodes with Low-n ATO Antireflective Coating Layer”, de Hee Kwan Lee et al., Microelectronic Engineering, 104 (1er Avril 2013), pp 29-32 décrit une LED dont la face de sortie est pourvue d’une couche anti-reflet formée par une couche mince, poreuse, en ATO (oxyde d’étain et d’antimoine ; «antimony tin oxyde »). Cette couche, de 90 nm d’épaisseur, est formée de nanocolonnes d’ATO, inclinées, ayant chacune un diamètre compris entre environ 10 et 30 nm, séparées par de l’air, et agencées de manière désordonnée sur la face de sortie de la LED (voir la l’image 1b de l’article en question). Cette couche est obtenue en réalisant un dépôt en phase vapeur (par pulvérisation magnétron – RF magnetron sputtering), avec un flux très incliné par rapport à la surface de la structure émissive. Pour certaines conditions de pression et d’inclinaison, on observe une auto-organisation de l’ATO déposé, qui s’auto-organise sous forme colonnaire. La longueur d’onde d’émission de la LED, λ, est d’environ 635 nm, et l’indice n de la couche supérieure de la LED, en GaP, est de 3,3 environ à cette longueur d’onde. Les dimensions typiques des nanostructures de la couche d’ATO sont donc inférieures, et même très inférieures à λ/(2n), si bien que la couche peut être considérée, sur le plan optique, comme équivalente (au moins en première approximation) à une couche homogène, dont l’indice effectif, uniforme, a une valeur intermédiaire entre l’indice de l’air et l’indice de l’ATO. Cette couche permet d’augmenter d’environ 20% la puissance lumineuse effectivement délivrée par la LED, par rapport à une LED sans couche anti-reflet (pour un même courant électrique traversant la LED). L’indice effectif n eff de cette couche d’ATO peut être ajusté, dans une certaine mesure, en faisant varier l’inclinaison de flux (ce qui modifie la porosité de la couche d’ATO), lors du dépôt de la couche. Cela permet d’ajuster cet indice pour se rapprocher de la valeur optimale . Ce type de couche anti-reflet a toutefois un certain nombre de limites. Tout d’abord, le rayonnement finalement émis dans l’air est réparti sur un angle d’émission très large (largeur totale à mi-hauteur d’environ 120 degrés ; voir la de l’article de Hee Kwan Lee mentionné ci-dessus). La larguer angulaire du cône d’émission est d’ailleurs sensiblement la même avec cette couche anti-reflet que sans. Or, pour certaines applications, en particulier pour l’affichage de haute résolution (notamment pour la réalité augmentée et la réalité virtuelle), il est souhaitable de concentrer l’émission dans un cône relativement fermé, ayant par exemple une ouverture de plus ou moins 30 degrés, ou même de plus ou moins 15 degrés (i.e. : 15 degrés de chaque côté, soit une ouverture totale de 30 degrés), car la lumière située hors d’un tel cône d’émission n’atteindra pas l’œil de l’observateur, ou risque de créer des images fantômes. Par ailleurs, le procédé de fabrication de cette couche est basé sur des techniques de fabrication différentes de celles employées généralement pour l’intégration planaire de structures de dimensions microniques, et peu adaptées pour un telle intégration planaire (notamment à cause de la nécessité d’incliner fortement l’échantillon). D’autre part, ce type de fabrication, basé sur une auto-organisation du matériau déposé, ne permet de contrôler qu’une partie des caractéristiques de la couche nanostructurée, en l’occurrence son épaisseur (via un contrôle de la durée de dépôt), et, dans une moindre mesure, sa porosité (via un contrôle de l’inclinaison du flux). Mais, pour une telle couche, on ne peut contrôler ni la forme, ni les dimensions (en tout cas pas indépendamment de la porosité), ni le type de répartition de ces nanostructures colonnaires. Enfin, la structure de cette couche est désordonnée, aléatoire. Pour des LEDs de grande dimension, telle que celle décrite dans l’article de Hee Kwan Lee mentionné ci-dessus (LED ayant une face de sortie de 1 mm 2 ), les caractéristiques de la couche anti-reflet sont bien définies, et reproductibles, car elles correspondent à une moyenne sur un très grand nombre de nanocolonnes. En revanche, pour des microLEDs, dont la surface d’émission peut être de seulement 5 microns carrés, par exemple (et même parfois moins), les caractéristiques d’une telle couche anti-reflet peuvent varier substantiellement, de manière non contrôlée, d’une microLED à l’autre. En effet, le nombre de nanocolonnes présentes sur la face de la microLED, ou leur diamètre, peut fluctuer substantiellement d’une microLED à l’autre, car l’effet de moyennage (de lissage) mentionné plus haut est beaucoup moins important qu’avec une LED de grande dimension. Cette disparité des caractéristiques de la couche, d’une micro-LED à l’autre peut alors de traduire par une inhomogénéité de luminosité et donc une sorte de bruit d’affichage indésirable, pour un écran à microLED. RESUME Pour remédier au moins en partie aux limites de l’art antérieur, la présente technologie concerne alors un dispositif opto-électronique comprenant : une structure émissive : dont une partie au moins est formée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs, configurée pour produire un rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique, ledit rayonnement lumineux étant produit au sein de la structure émissive et ayant une longueur d’onde moyenne λ, la structure émissive ayant un indice optique moyen n et étant délimitée par une surface de sortie, par laquelle sort une partie au moins dudit rayonnement lumineux, et une structure anti-reflet, située au niveau de la surface de sortie, dans lequel la structure anti-reflet comprend un réseau périodique sub-longueur d’onde qui comporte des parties en creux et des parties en saillie formant une structure périodique régulière de pas ( a ) inférieur à λ/[2.n]. Les inventeurs ont constaté qu’une couche anti-reflet avec une structuration sub-longueur d’onde (nanométrique) régulière, périodique, permettait de modifier l’ouverture angulaire du cône d’émission (cône d’émission final, dans l’air ou dans le milieu de sortie), par rapport à une structure émissive sans couche anti-reflet, contrairement à la structure désordonnée de l’article de Hee Kwan Lee mentionné plus haut (qui ne modifie pas cette ouverture angulaire). Des résultats de simulation numérique, présentés plus bas lors de la description des figures, illustrent cet effet, en l’occurrence dans le cas d’une réduction de l’ouverture angulaire du cône d’émission. L’émission se trouve alors concentrée dans un cône d’émission plus fermé, ce qui est intéressant pour différents types d’applications. On notera que le réseau qui forme cette structure anti-reflet n’est pas un réseau diffractif. En effet, son pas a , c’est-à-dire sa période spatiale, est inférieur à λ/(2n). Son spectre de fréquences spatiales est donc situé entièrement au-dessus de la fréquence de coupure limite (2n)/λ, au-delà de laquelle il n’y a plus d’effets diffractifs (ou d’effets de résonance). Ce réseau ne donne notamment pas lieu à des effets de diffraction en champ lointain, et son fonctionnement est bien différent d’un réseau diffractif. On notera à ce sujet que, pour ce réseau, le pas a est bien inférieur à λ/(2n), et non pas simplement inférieur à λ ou même λ/2 (il est donc bien différent, entre autres, d’un réseau diffractif dont le pas est inférieur à λ mais supérieur à λ/[2n] – qui, en l’occurrence, est un réseau diffractif , mais pour lequel seul l’ordre 0 est transmis, en incidence normale). L’effet du réseau sub-longueur d’onde en question doit ainsi être analysé plutôt en termes de milieu effectif moyen, comme si la structure antireflet était formée d’un matériau homogène. L’expression « réseau réfractif » (et non « réseau diffractif ») est d’ailleurs parfois employée pour désigner un tel réseau, dans ce domaine technique. Le fait qu’un tel réseau modifie la directivité du rayonnement émis, alors que son fonctionnement doit plutôt être analysé en termes de milieu effectif homogène, est donc surprenant à première vue. Une explication possible de cet effet (dont le détail a lieu a priori à petite échelle, et est probablement complexe), est que le milieu effectif moyen en question a des propriétés différentes selon qu’il est vu en incidence normale, ou sous une incidence non nulle, ce qui pourrait expliquer la modification de directivité en question. Par ailleurs, employer ainsi un réseau sub-longueur régulier, réalisé typiquement par gravure, plutôt qu’une structure nano-texturée désordonnée, permet une bonne reproductibilité, d’un dispositif opto-électronique à l’autre (notamment en termes d’efficacité lumineuse et de directivité), en particulier lorsque le dispositif, micronique, est de très petite taille. Ce type de réseau sub-longueur d’onde régulier peut être réalisé directement par lithographie puis gravure d’une face supérieure libre de la structure émissive, sans apport de matériau extérieur. En effet, pour l’indice optique effectif du réseau (i.e. : pour l’indice de la couche homogène fictive, effective, représentant le réseau), on obtient alors naturellement une valeur qui est comprise entre l’indice optique moyen de la structure émissive, et l’indice optique du milieu dans lequel sort le rayonnement. La structure anti-reflet obtenu ainsi est donc réalisée sans apport de matériau extérieur et est ainsi très stable (notamment quand la structure émissive est à base de GaN ou de l’AlGaInP), comparée notamment à une couche anti-reflet à base de matériaux organiques, qui ont des durées de vie limitée, en particulier quand il s’agit d’applications à haute luminance. Plus généralement, une telle fabrication par lithographie et gravure (bien qu’exigeante, du fait des dimensions réduites à atteindre) s’intègre commodément dans le flux d’étapes de fabrication d’un dispositif, en particulier micronique, obtenu par des techniques planaires. Elle permet en outre un contrôle indépendant des différentes caractéristiques du réseau. On peut ainsi ajuster non seulement son épaisseur et son facteur de remplissage, mais aussi le pas du réseau, son type de maille, la forme des motifs, le caractère uni- ou bi-dimensionnel du réseau, ou encore l’orientation des rainures (à adapter à la polarisation du rayonnement), dans le cas d’un réseau unidimensionnel. Outre les caractéristiques mentionnées ci-dessus, le dispositif opto-électronique qui vient d’être présenté peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables : l’aire occupée par la surface de sortie de la structure émissive est inférieure à 50 μm 2 , voire inférieure à 5 μm 2 ; la structure émissive comporte une couche supérieure superficielle, formée d’un matériau semi-conducteur, et les parties en saillie dudit réseau, formées du même matériau semi-conducteur que ladite couche supérieure superficielle, sont d’un seul tenant avec la couche supérieure de la structure émissive ; les parties en saillie du réseau sont formées d’un matériau ayant un indice optique n p , un milieu d’indice optique n out s’étend au-dessus du réseau, à l’opposé de la structure émissive, un milieu d’indice n r remplit les parties en creux du réseau ; un facteur de remplissage FF du réseau, égal à la fraction du volume du réseau occupé par ses parties en creux, est égal au facteur de remplissage FF TE donné par la formule F1 suivante : ; le réseau est unidimensionnel, les parties en creux étant des rainures rectilignes parallèles entre elles, et dans lequel ledit rayonnement a une polarisation substantiellement rectiligne, et parallèle auxdites rainures ; le réseau est un réseau bidimensionnel comportant un motif répété périodiquement selon une première direction, et répété aussi, périodiquement, selon une deuxième direction différente de la première direction ; le réseau est unidimensionnel, les parties en creux étant des rainures rectilignes parallèles entre elles, et ledit rayonnement a une polarisation substantiellement rectiligne et perpendiculaire auxdites rainures, et un facteur de remplissage FF du réseau, égal à la fraction du volume du réseau occupé par ses parties en creux, est égal au facteur de remplissage FF TM donné par la formule F2 suivante : ; le réseau a une profondeur D, selon une direction perpendiculaire à la surface de sortie, la profondeur D étant égale à , n out étant l’indice optique du milieu qui s’étend au-dessus du réseau, à l’opposé de la structure émissive ; le dispositif est une diode électroluminescente, et la structure émissive comprend : une couche inférieure, formée au moins en partie d’un semi-conducteur dopé, une couche supérieure, formée au moins en partie d’un semiconducteur dopé, les couches inférieure et supérieure ayant des dopages de types opposés, et une partie émissive, qui s’étend entre la couche inférieure et la couche supérieure et qui est apte à émettre ledit rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique. La présente technologie concerne également un écran d’affichage comprenant une matrice de dispositifs opto-électroniques tels que décrits ci-dessus. La présente technologie concerne également un procédé de fabrication d’un tel dispositif opto-électronique, comprenant : une étape de réalisation d’une structure émissive dont une partie au moins est formée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs, configurée pour produire un rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique, ledit rayonnement lumineux étant produit au sein de la structure émissive et ayant une longueur d’onde moyenne λ, la structure émissive ayant un indice optique moyen n et étant délimitée par une surface de sortie, par laquelle sort une partie au moins dudit rayonnement lumineux, et une étape de réalisation d’une structure anti-reflet, située au niveau de la surface de sortie, dans lequel l’étape de réalisation de la structure anti-reflet comprend une étape de réalisation d’un réseau périodique sub-longueur d’onde qui comporte des parties en creux et des parties en saillie formant une structure périodique régulière de pas inférieur à λ/[2.n]. Dans ce procédé, la structure émissive peut présenter, à l’issu de l’étape de réalisation de cette structure, une face supérieure libre, et le réseau peut être réalisé par lithographie électronique puis gravure de ladite face supérieure. Les caractéristiques optionnelles, présentées plus haut en termes de dispositif, peuvent s’appliquer aussi au procédé qui vient d’être décrit. La présente technologie et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif. La représente schématiquement un dispositif opto-électronique conforme à la présente technologie, vu de côté. La est une représentation schématique du dispositif de la , dans laquelle une structure émissive du dispositif est représentée, de manière simplifiée, par un milieu homogène. La correspond à une modélisation simplifiée du dispositif de la , dans laquelle une structure anti-reflet du dispositif, basée sur un réseau sub-longueur d’onde, est représentée par une couche anti-reflet effective, homogène. La représente schématiquement le dispositif de la , vu de dessus. La représente l’évolution d’un coefficient de transmission de la structure anti-reflet du dispositif de la , en fonction d’un angle d’incidence sur cette structure. La , la et la montrent chacune l’efficacité d’émission du dispositif, pour un angle de collection de plus ou moins 90° (90° de chaque côté, soit tout le demi-espace), plus ou moins 30° et plus ou moins 15° respectivement, en fonction de la profondeur des motifs du réseau. La représente l’efficacité d’émission du dispositif, en fonction de l’angle de collection. La montre une variante du dispositif de la , vu de dessus. La montre une autre variante du dispositif de la , vu de dessus. La représente schématiquement des étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de la . Dispositif (1 ; 1’ ; 1’’) opto-électronique comprenant : une structure émissive (2) dont une partie au moins est formée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs, configurée pour produire un rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique, ledit rayonnement lumineux étant produit au sein de la structure émissive (2) et ayant une longueur d’onde moyenne λ, la structure émissive (2) ayant un indice optique moyen n et étant délimitée par une surface de sortie (4), par laquelle sort une partie au moins dudit rayonnement lumineux, et une structure anti-reflet (3), située au niveau de la surface de sortie (4), caractérisé en ce que la structure anti-reflet (3) comprend un réseau (8 ; 8’ ; 8’’) périodique sub-longueur d’onde qui comporte des parties en creux (7 ; 7’ ; 7’’) et des parties en saillie (6 ; 6’ ; 6’’) formant une structure périodique régulière de pas ( a ) inférieur à λ/[2.n]. Dispositif (1 ; 1’ ; 1’’) selon la revendication 1, dans lequel l’aire occupée par la surface de sortie (4) de la structure émissive (2) est inférieure à 50 μm 2 , voire inférieure à 5 μm 2 . Dispositif (1 ; 1’ ; 1’’) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure émissive (2) comporte une couche supérieure superficielle, formée d’un matériau semi-conducteur, et dans lequel les parties en saillie (6 ; 6’ ; 6’’) dudit réseau (8 ; 8’ ; 8’’), formées du même matériau semi-conducteur que ladite couche supérieure superficielle, sont d’un seul tenant avec la couche supérieure de la structure émissive. Dispositif (1 ; 1’ ; 1’’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel : les parties en saillie (6 ; 6’ ; 6’’) du réseau sont formées d’un matériau ayant un indice optique n p , un milieu (5) d’indice optique n out s’étend au-dessus du réseau, à l’opposé de la structure émissive (2), un milieu d’indice n r remplit les parties en creux (7 ; 7’ ; 7’’) du réseau, et dans lequel un facteur de remplissage FF du réseau, égal à la fraction du volume du réseau occupé par ses parties en creux (7 ; 7’ ; 7’’), est égal au facteur de remplissage FF TE donné par la formule F1 suivante : . Dispositif (1) selon la revendication 4, dans lequel le réseau (8) est unidimensionnel, les parties en creux (7) étant des rainures rectilignes parallèles entre elles, et dans lequel ledit rayonnement a une polarisation substantiellement rectiligne, et parallèle auxdites rainures (7). Dispositif (1’ ; 1’’) selon la revendication 4, dans lequel le réseau (8’ ; 8’’) est un réseau bidimensionnel comportant un motif (7’ ; 7’’) répété périodiquement selon une première direction (X), et répété aussi, périodiquement, selon une deuxième direction (Y ; Y’’) différente de la première direction. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, les parties en saillie (6) du réseau sont formées d’un matériau ayant un indice optique n p , un milieu (5) d’indice optique n out s’étend au-dessus du réseau (8), à l’opposé de la structure émissive (2), un milieu d’indice n r remplit les parties en creux (7) du réseau, le réseau (8) est unidimensionnel, les parties en creux (7) étant des rainures rectilignes parallèles entre elles, et ledit rayonnement a une polarisation substantiellement rectiligne et perpendiculaire auxdites rainures, et dans lequel un facteur de remplissage FF du réseau, égal à la fraction du volume du réseau occupé par ses parties en creux (7), est égal au facteur de remplissage FF TM donné par la formule F2 suivante : . Dispositif (1 ; 1’ ; 1’’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réseau (8 ; 8’ ; 8’’) a une profondeur D, selon une direction (z) perpendiculaire à la surface de sortie (4), la profondeur D étant égale à , n out étant l’indice optique du milieu (5) qui s’étend au-dessus du réseau, à l’opposé de la structure émissive (2). Dispositif (1 ; 1’ ; 1’’) selon l’une des revendications précédentes, le dispositif étant une diode électroluminescente, dans lequel la structure émissive (2) comprend : une couche inférieure (22), formée au moins en partie d’un semi-conducteur dopé, une couche supérieure (21), formée au moins en partie d’un semiconducteur dopé, les couches inférieure et supérieure ayant des dopages de types opposés, et une partie émissive (23), qui s’étend entre la couche inférieure et la couche supérieure et qui est apte à émettre ledit rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique. Ecran d’affichage comprenant une matrice de dispositifs opto-électroniques (1 ; 1’ ; 1’’) conformes chacun à l’une des revendications précédentes. Procédé de fabrication d’un dispositif opto-électronique (1 ; 1’ ; 1’’), comprenant : une étape (S1) de réalisation d’une structure émissive (2) dont une partie au moins est formée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs, configurée pour produire un rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant électrique, ledit rayonnement lumineux étant produit au sein de la structure émissive (2) et ayant une longueur d’onde moyenne λ, la structure émissive ayant un indice optique moyen n et étant délimitée par une surface de sortie (4), par laquelle sort une partie au moins dudit rayonnement lumineux, et une étape (S2) de réalisation d’une structure anti-reflet (3), située au niveau de la surface de sortie (4), le procédé étant caractérisé en ce que l’étape (2) de réalisation de la structure anti-reflet (3) comprend une étape de réalisation d’un réseau (8 ; 8’ ; 8’’) périodique sub-longueur d’onde qui comporte des parties en creux (7 ; 7’ ; 7’’) et des parties en saillie (6 ; 6’ ; 6’’) formant une structure périodique régulière de pas ( a ) inférieur à λ/[2.n]. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la structure émissive (2) présente, à l’issu de l’étape (S1) de réalisation de cette structure, une face supérieure libre, et dans lequel le réseau (8 ; 8’ ; 8’’) est réalisé par lithographie électronique puis gravure de ladite face supérieure.