JONCTION P-N ASYMETRIQUE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR

L'invention concerne le domaine des diodes électroluminescentes (appelées DEL ou LED) à multiple puits quantiques.

La figure 1 représente schématiquement une diode 10 à multiples puits quantiques de l'art antérieur.

Cette diode 10 comporte une jonction p-n formée par une première couche 12 de GaN dopé n (GaN-n) avec une concentration égale à 10 ¹⁹ donneurs/cm ³ et une deuxième couche 14 de GaN dopé p (GaN-p) avec une concentration égale à 2.10 ¹⁹ accepteurs/cm ³ , ces deux couches ayant par exemple chacune une épaisseur égale à plusieurs microns.

Plusieurs couches émissives 16 sont disposées entre les couches 12 et

14. La diode 10 décrite ici comporte trois couches émissives 16, référencées 16.1, 16.2 et 16.3 sur la figure 1, formant chacune un puits quantique. Les couches émissives 16 sont à base d'l n ₀ ,i6Ga ₀ ,84N (comprenant 16 % d'indium pour 84 % de gallium) non intentionnellement dopé (avec une concentration de donneurs résiduels n _n id = 10 ¹⁷ cm ^"3 ) et d'épaisseur égale à 1 nm. Des couches barrières 18 (au nombre de quatre dans la diode 10, et référencées 18.1, 18.2, 18.3 et 18.4) à base de GaN non intentionnellement dopé (avec une concentration de donneurs résiduels n _n id = 10 ¹⁷ cm ^"3 ) et d'épaisseur égale à 5 nm sont également disposées entre les couches 12 et 14. Deux des quatre couches barrières 18 sont interposées chacune entre deux couches émissives 16 consécutives, et les deux autres couches barrières 18 sont chacune interposée entre une des couches émissives 16 et l'une des couches 12 et 14.

Pour polariser la diode 10, des contacts électriques sont pris du côté de la première couche 12 (formant alors une cathode de la diode 10) et de la deuxième couche 14 (formant une anode de la diode 10). La structure de bandes à 0 V de la diode 10 ainsi polarisée, au sein des différentes couches de la diode 10 est représentée sur la figure 2. Sur cette figure, la bande de conduction, en eV, comporte la référence 20 et la bande de valence, également en eV, comporte la référence 22. La caractéristique l(V) de la diode 10, c'est-à-dire la valeur de la densité de courant à l'anode de la diode 10 en fonction de la tension à l'anode de la diode 10, est représentée sur la figure 3. On voit sur la figure 3 qu'une tension de polarisation de 3,2 V appliquée entre l'anode et la cathode de la diode 10 permet d'obtenir, à l'anode de la diode 10, une densité de courant de 250 A/cm ² qui correspond typiquement à la densité de courant souhaitée dans une diode électroluminescente à forte brillance.

La figure 4 représente le taux de recombinaisons radiatives, en échelle logarithmique et par cm ³ . s, obtenues dans les différentes couches de la diode 10, avec cette tension de polarisation de 3,2 V appliquée entre l'anode et la cathode de la diode 10. On voit sur cette figure qu'un taux de recombinaisons d'environ 10 ²⁷ cm ^~3 s ¹ est obtenu dans le puits quantique formé par la troisième couche émissive 16.3. Par contre, ce taux de recombinaisons radiatives chute à environ 10 ²³ crrfV ¹ dans la deuxième couche émissive 16.2 et à environ 1.10 ¹⁹ cm ^"3 s ¹ dans la première couche émissive 16.1. L'émission lumineuse obtenue avec la diode 10 est donc très mal répartie entre les trois puits quantiques de la diode 10.

Cette mauvaise répartition de l'émission lumineuse dans la diode 10 est due à une répartition non homogène des charges, et notamment des trous, entre les différents puits quantiques car le taux de recombinaisons radiatives dans les puits quantiques est directement proportionnel au produit de la concentration des trous et des électrons dans les puits quantiques. La figure 5 représente les concentrations en électrons (représentées par des croix référencées 24) et en trous (représentées par des losanges référencés 26), par cm ³ , obtenues dans les différentes couches de la diode 10 polarisée comme précédemment avec une tension de 3,2 V. On voit sur cette figure 5 que les électrons ont tendance à passer dans la deuxième couche 14 de GaN-p, ce qui diminue le taux de recombinaisons radiatives dans les puits quantiques de la diode 10. Pour palier à ce problème, il est connu d'interposer une couche de blocage d'électrons à base d'AIGaN entre la quatrième couche barrière 18.4 et la deuxième couche 14 de GaN-p. Par contre, on voit également sur cette figure que les trous ne sont pas répartis de manière homogène dans les puits quantiques : il y a environ 10 ¹⁹ trous/cm ³ dans le puits quantique formé par la troisième couche émissive 16.3 se trouvant du côté de la deuxième couche 14 de GaN-p alors qu'il y a environ 10 ¹⁷ trous/cm ³ dans le puits quantique formé par la deuxième couche émissive 16.2 et environ 10 ¹⁴ trous/cm ³ dans le puits quantique formé par la première couche émissive 16.1 se trouvant du côté de la première couche 12 de GaN-n. La concentration en électrons est par contre homogène entre les différents puits quantiques et égale à environ 10 ¹⁹ cm ^"3 . Le fait que l'émission lumineuse de la diode 10 ne provient que du puits quantique formé par la troisième couche émissive 16.3 se trouvant du côté de la deuxième couche 14 de GaN-p provient du fait que les trous ne sont pas répartis de manière homogène entre les différents puits quantiques de la diode 10.

Le rendement quantique interne de la diode 10, qui correspond au rapport entre le nombre d'électrons injectés et le nombre de photons émis par les puits quantiques de la diode 10, en fonction de la densité de courant (en A/cm ² ) dans la diode 10 est représenté sur la figure 6. On voit sur cette figure que le rendement quantique interne maximum de la diode 10 est d'environ 4 % et est obtenu pour une densité de courant d'environ 600 A/cm ² . Ce rendement quantique interne est limité par :

- les recombinaisons non radiatives de type Auger et Shockley-Read- Hall se produisant dans la diode 10,

- l'échappement des électrons depuis les puits quantiques vers la deuxième couche 14 de GaN-p,

- mais également du fait que l'émission lumineuse n'est pas réalisée de façon homogène dans les différents puits quantiques de la diode. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Un but de la présente invention est de proposer une diode électroluminescente à multiples puits quantiques présentant un meilleur rendement quantique interne que les diodes électroluminescentes de l'art antérieur.

Pour cela, il est proposé une diode électroluminescente comportant : - une première couche de semi-conducteur dopé n apte à former une cathode de la diode, et une deuxième couche de semi-conducteur dopé p apte à former une anode de la diode, telles que la première couche et la deuxième couche forment une jonction p-n de la diode ;

- une zone active disposée entre la première couche et la deuxième couche, comprenant au moins deux couches émissives comportant du semi-conducteur et aptes à former des puits quantiques, et une pluralité de couches barrières de semiconducteur telles que chaque couche émissive soit disposée entre deux couches barrières qui sont en contact avec ladite couche émissive au niveau de deux faces opposées de ladite couche émissive ;

- une couche tampon de semi-conducteur dopé n disposée entre la première couche et la zone active, ledit semi-conducteur dopé n de la couche tampon comportant une énergie de bande interdite inférieure ou égale à environ 97 % de l'énergie de bande interdite du semi-conducteur dopé p de la deuxième couche.

L'invention propose en outre une diode électroluminescente comportant :

- une première couche de semi-conducteur dopé n apte à former une cathode de la diode, et une deuxième couche de semi-conducteur dopé p apte à former une anode de la diode, la première et la deuxième couche formant une jonction p-n de la diode ;

- une zone active disposée entre la première couche et la deuxième couche, comprenant au moins deux couches émissives comportant du semi-conducteur et aptes à former des puits quantiques, et une pluralité de couches barrières de semiconducteur telles que chaque couche émissive soit disposée entre deux couches barrières qui sont en contact avec ladite couche émissive au niveau de deux faces opposées de ladite couche émissive ;

- une couche tampon de semi-conducteur dopé n disposée entre la première couche et la zone active, ledit semi-conducteur dopé n de la couche tampon comportant une énergie de bande interdite inférieure ou égale à environ 97 % de l'énergie de bande interdite du semi-conducteur dopé p de la deuxième couche ; dans laquelle le semi-conducteur des couches barrières est de l'ln _x Gai-xN, le semi-conducteur de la couche tampon est de l'ln _z Gai_ _z N, et le semiconducteur des couches émissives est de l'ln _Y Gai_ _Y N, avec x, y et z nombres réels tels que 0,025≤ x, et 0,025≤ z, et 0,1≤ y, et x < y, et z < y, ou

dans laquelle, lorsque la diode comporte m couches barrières, le semiconducteur de chacune des couches barrières est de rin _Xi Gai-xiN, avec i nombre entier compris entre 1 et m, le semi-conducteur de la couche tampon est de rin _z Gai_ _z N, et le semi-conducteur des couches émissives est de rin _Y Gai- _Y N, avec x,, y et z nombres réels tels que 0,025≤ z, et 0,1≤ y, et x, < y, et z < y, et dans laquelle la composition en indium x, du semi-conducteur de chaque couche barrière est différente de celles des autres couches barrières, ces compositions en indium variant graduellement de manière décroissante depuis une première valeur xi, correspondant à la composition en indium du semi-conducteur d'une des couches barrières disposée contre la couche tampon, telle que xi≤ z, jusqu'à une autre valeur x _m correspondant à la composition en indium du semi- conducteur d'une des couches barrières disposée contre la deuxième couche, telles que

Par rapport aux diodes électroluminescentes à multiples puits quantiques de l'art antérieur, la diode électroluminescente selon l'invention comporte une couche tampon de semi-conducteur dopé n créant, de part son énergie de bande interdite inférieure ou égale à environ 97 % de l'énergie de bande interdite de la deuxième couche, c'est-à-dire telle que le gap de la couche tampon soit inférieur d'au moins 3 % par rapport au gap de la deuxième couche de semi-conducteur dopé p de la jonction p-n (Egn ₀ < 0,97 Egi ₀₄ ), une asymétrie dans la structure de la diode, et plus particulièrement une asymétrie dans la jonction p-n de la diode. Cette asymétrie facilite la circulation des trous dans la diode et permet d'obtenir une répartition homogène des porteurs (électrons et trous) dans les différents puits quantiques de la zone active de la diode. Cela se traduit par une émission lumineuse homogène dans les différents puits quantiques de la diode et donc par un meilleur rendement quantique interne de la diode. De préférence, le gap de la couche tampon est supérieur d'au moins 2 % par rapport au gap des couches émissives, ou puits quantiques, améliorant ainsi le confinement dans les puits quantiques (Egn ₀ > 1,02 Egi ₀ 6).

Le semi-conducteur dopé n de la première couche et/ou le semiconducteur dopé p de la deuxième couche peuvent être du GaN, et/ou les semiconducteurs des couches émissives et/ou des couches barrières et/ou de la couche tampon peuvent être de l'InGaN.

Une concentration en indium du semi-conducteur dopé n de la couche tampon, comprenant par exemple de l'InGaN, peut être supérieure d'au moins 2,5 % par rapport à une concentration en indium du semi-conducteur dopé p de la deuxième couche, comprenant par exemple du GaN (avec dans ce cas une concentration en indium nulle dans le semi-conducteur dopé p de la deuxième couche) ou de l'InGaN.

La couche tampon et la première couche peuvent comporter un semiconducteur de composition et/ou de dopage identiques. Ainsi, la composition en indium, c'est-à-dire le pourcentage d'indium, du semi-conducteur dopé n de la première couche peut être similaire à la composition en indium du semi-conducteur de la couche tampon, et/ou la concentration de donneurs dans le semi-conducteur dopé n de la première couche peut être similaire à la concentration de donneurs dans le semi-conducteur dopé n de la couche tampon.

Le semi-conducteur des couches barrières peut être de rin _x Gai- _X N, le semi-conducteur de la couche tampon peut être de rin _z Gai_ _z N, et le semi-conducteur des couches émissives peut être de rin _Y Gai_ _Y N, avec x, y et z nombres réels tels que 0,025≤ x≤ 0,13, ou 0,025≤ x≤ 0,3, et 0,025≤ z≤ 0,13 ou 0,025≤ z≤ 0,3, et 0,1≤ y≤ 0,3 ou 0,1≤ y≤ 0,5, et x < y, et z < y.

Une épaisseur de la couche tampon peut être supérieure à environ

5 nm.

Lorsque la diode comporte un nombre n de couches émissives tel que 2≤ n≤ 5, les semi-conducteurs des couches barrières et des couches émissives peuvent être tels que (x + 0,03)≤ y. En variante, lorsque la diode comporte un nombre n de couches émissives tel que 5≤ n≤ 10, les semi-conducteurs des couches barrières et des couches émissives peuvent être tels que x > 0,04 et (x + 0,03)≤ y, et/ou l'épaisseur de la couche tampon peut être supérieure à environ 20 nm.

En variante, lorsque la diode comporte un nombre n de couches émissives tel que n > 10, les semi-conducteurs des couches barrières et des couches émissives peuvent être tels que x > 0,06 et (x + 0,03)≤ y, et/ou l'épaisseur de la couche tampon peut être supérieure à environ 20 nm.

Les couches barrières peuvent être toutes à base d'un semi-conducteur de même composition. De plus, il est également possible que z = x ou que z > x (et donc que l'énergie de gap de la couche tampon soit inférieure ou égale à celle des couches barrières), c'est-à-dire que la composition en indium du semi-conducteur de la couche tampon soit sensiblement égale ou supérieure à la composition en indium du semiconducteur des couches barrières. Cela favorise encore plus le passage des trous, et donc l'homogénéisation de l'émission dans les puits.

En variante, lorsque la diode comporte m couches barrières, le semiconducteur de chacune des couches barrières peut être de rin _Xi Gai-xiN, avec i nombre entier compris entre 1 et m, le semi-conducteur de la couche tampon peut être de rin _z Gai- _Z N, et le semi-conducteur des couches émissives peut être de rin _Y Gai_ _Y N, avec x,, y et z nombres réels tels que 0,025≤z≤0,13 ou 0,025≤ z≤ 0,3, et 0,l≤y≤0,3 ou 0,l≤y≤0,5, et x, < y, et z < y, et dans laquelle la composition en indium x, du semiconducteur de chaque couche barrière peut être différente de celles des autres couches barrières, ces compositions en indium pouvant varier graduellement de manière décroissante depuis une première valeur xi, correspondant à la composition en indium du semi-conducteur d'une des couches barrières disposée contre la couche tampon, telle que xi = z ou xi≤ z, jusqu'à une autre valeur x _m correspondant à la composition en indium du semi-conducteur d'une des couches barrières disposée contre la deuxième couche, telles que x _m < xi, et avec m > 3. Lorsque la diode comporte un nombre n de couches émissives tel que 2≤ n≤ 5, les semi-conducteurs des couches barrières et des couches émissives peuvent être tels que Xi > 0,04 et x _m > 0,005, et (xi + 0,03)≤ y.

En variante, lorsque la diode comporte un nombre n de couches émissives tel que 5≤ n≤ 10, les semi-conducteurs des couches barrières et des couches émissives peuvent être tels que xi > 0,08 et x _m > 0,005 et (xi + 0,03)≤ y, et/ou l'épaisseur de la couche tampon peut être supérieure à environ 20 nm.

En variante, lorsque la diode comporte un nombre n de couches émissives tel que n > 10, les semi-conducteurs des couches barrières et des couches émissives peuvent être tels que xi > 0,12 et x _m > 0,025 et (xi + 0,03)≤ y, et/ou l'épaisseur de la couche tampon peut être supérieure à environ 20 nm.

La composition en indium z du semi-conducteur de la couche tampon peut varier entre une première valeur zi et une deuxième valeur z ₂ supérieure à la première valeur zi selon une direction sensiblement perpendiculaire à une première face de la couche tampon contre laquelle la première couche est disposée, et la composition en indium z au niveau de la première face de la couche tampon peut être égale à la première valeur zi, et, lorsque la composition en indium du semi-conducteur de chacune des couches barrières est différente de celle des autres couches barrières, la composition en indium xi peut être telle que xi = z ₂ ou xi≤ z ₂ .

Dans ce cas, la composition en indium z du semi-conducteur de la couche tampon peut varier de manière croissante entre zi et z ₂ , avec zi = 0, et z ₂ = x ou z ₂ > x ou z ₂ = Xi ou z ₂ > Xi.

En variante, la composition en indium z du semi-conducteur de la couche tampon peut varier de manière croissante entre zi et une troisième valeur z ₃ > z ₂ , et varier de manière décroissante entre z ₃ et z ₂ , avec zi = 0 et z ₂ = x ou z ₂ > x ou z ₂ = xi ou z ₂ > Xi.

Le semi-conducteur dopé p de la deuxième couche peut être de l'ln _w Gai-wN, avec w nombre réel tel que w < 0,12 et dans laquelle, lorsque le semiconducteur des couches barrières est de rin _x Gai_ _x N, que le semi-conducteur de la couche tampon est de rin _z Gai_ _z N, et que le semi-conducteur des couches émissives est de rin _Y Gai- _Y N, les compositions en indium w, x, y et z peuvent être telles que (0,025+w)≤ x, et (0,025+w)≤z, et (0,l+w)≤y, ou telles que (0,025+w)≤ x≤ (0,13+w), et (0,025+w)≤ z≤ (0,13+w), et (0,1+w)≤ y≤ (0,3+w), ou telles que (0,025+w)≤ x≤ (0,3+w), et (0,025+w)≤ z≤ (0,3+w), et (0,1+w)≤ y≤ (0,5+w). BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 représente une diode électroluminescente à multiples puits quantiques de l'art antérieur,

- la figure 2 représente la structure de bandes au sein des différentes couches de la diode électroluminescente représentée sur la figure 1,

- la figure 3 représente la caractéristique l(V) de la diode électroluminescente représentée sur la figure 1,

- la figure 4 représente le taux de recombinaisons radiatives au sein des différentes couches de la diode électroluminescente représentée sur la figure 1,

- la figure 5 représente les concentrations en électrons et en trous au sein des différentes couches de la diode électroluminescente représentée sur la figure 1,

- la figure 6 représente le rendement quantique interne de la diode électroluminescente représentée sur la figure 1 en fonction de la densité de courant à l'anode de la diode électroluminescente,

- la figure 7 représente schématiquement une diode électroluminescente, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier,

- la figure 8 représente la structure de bandes au sein des différentes couches de la diode électroluminescente, objet de la présente invention, représentée sur la figure 7,

- la figure 9 représente la caractéristique l(V) de la diode électroluminescente, objet de la présente invention, représentée sur la figure 7, - la figure 10 représente le taux de recombinaisons radiatives au sein des différentes couches de la diode électroluminescente, objet de la présente invention, représentée sur la figure 7,

- la figure 11 représente les concentrations en électrons et en trous au sein des différentes couches de la diode électroluminescente, objet de la présente invention, représentée sur la figure 7,

- la figure 12 représente le rendement quantique interne de la diode électroluminescente, objet de la présente invention, représentée sur la figure 7, en fonction de la densité de courant à l'anode de la diode électroluminescente,

- les figures 13 à 15 représentent des exemples de profils de variation de la composition en indium dans les semi-conducteurs des différentes couches de la diode, objet de la présente invention,

- les figures 16A et 16B représentent schématiquement des diodes électroluminescentes, objets de la présente invention, réalisées sous la forme de nanofils.

Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.

Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

On se réfère tout d'abord à la figure 7 qui représente une diode électroluminescente 100 à multiples puits quantiques selon un mode de réalisation particulier.

La diode 100 comporte une jonction p-n formée par une première couche 102 comprenant du GaN dopé n (GaN-n) avec une concentration de donneurs égale à environ 10 ¹⁹ donneurs/cm ³ et une deuxième couche 104 comprenant du GaN dopé p (GaN-p) avec une concentration d'accepteur égale à environ 2.10 ¹⁹ accepteurs/cm ³ . Ces deux couches 102 et 104 ont par exemple chacune une épaisseur (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 7) comprise entre environ 20 nm et 10 μιη. Une première électrode métallique 101 est disposée contre la première couche 102 et forme une cathode de la diode 100, et une deuxième électrode métallique 103 est disposée contre la deuxième couche 104 et forme une anode de la diode 100. De manière générale, la première couche 102 peut avoir une concentration de donneurs comprise entre environ 10 ¹⁷ et 10 ²⁰ donneurs/cm ³ , et la deuxième couche 104 peut avoir une concentration d'accepteurs comprise entre environ 10 ¹⁵ et 10 ²⁰ accepteurs/cm ³ .

La diode 100 comporte, entre les couches 102 et 104, une zone active

105 comprenant plusieurs couches émissives 106. La diode 100 décrite ici comporte trois couches émissives 106, référencées 106.1, 106.2 et 106.3, formant chacune un puits quantique. De manière générale, la diode 100 peut comporter n couches émissives 106, avec n nombre entier tel que 2≤ n≤ 20. Les couches émissives 106 comportent ici de ri n ₀ ,i6Ga ₀ , ₈ 4N (c'est-à-dire comprenant 16 % d'indium pour 84 % de gallium) non intentionnellement dopé (de concentration en donneurs résiduels n _n id = 10 ¹⁷ cm ^"3 ) d'épaisseur égale à environ 1 nm. La zone active 105 de la diode 100 comporte également des couches barrières 108 (au nombre de quatre dans la diode 100 représentée sur la figure 7, et référencées 108.1, 108.2, 108.3 et 108.4) comprenant de l'l n ₀ , ₀ 5Ga ₀ ,95N (comprenant 5 % d'indium pour 95 % de gallium) non intentionnellement dopé (de concentration en donneurs résiduels n _n id = 10 ¹⁷ cm ^"3 ) d'épaisseur égale à environ 5 nm. Deux des quatre couches barrières 108 sont interposées chacune entre deux couches émissives 106 consécutives, et les deux autres couches barrières 108 sont chacune interposée entre une des couches émissives 106 et l'une des couches 102 et 104. Ainsi, une première couche barrière 108.1 est disposée entre la première couche 102 de GaN-n et la première couche émissive 106.1. Une deuxième couche barrière 108.2 est disposée entre la première couche émissive 106.1 et la deuxième couche émissive 106.2. Une troisième couche barrière 108.3 est disposée entre la deuxième couche émissive 106.2 et la troisième couche émissive 106.3. Une quatrième couche barrière 108.4 est disposée entre la troisième couche émissive 106.3 et la deuxième couche 104 de GaN-p. De manière générale, la diode 100 qui comporte n couches émissives 106 comporte donc m couches barrières 108, avec m nombre entier égal à n+1. La zone active 105 est formée de l'empilement alterné des n couches émissives 106 et des n+1 couches barrières 108. Les couches 106 et 108 peuvent avoir des concentrations en donneurs résiduels comprises entre environ 10 ¹⁷ et 10 ²⁰ donneurs/cm ³ .

La diode 100 comporte également une couche tampon 110 disposée entre la zone active 105 et la première couche 102 de GaN-n, et notamment entre la première couche barrière 108.1 et la première couche 102 de GaN-n. Cette couche tampon 110 comporte de rin ₀ , ₀₅ Ga ₀ ,95N, correspondant par exemple au même semi- conducteur que celui des couches barrières 108. Par contre, contrairement aux couches barrières 108, le semi-conducteur de la couche tampon 110 est dopé n avec une concentration en donneurs égale à environ 10 ¹⁹ donneurs/cm ³ , c'est-à-dire ici avec une concentration de dopants similaire à celle du GaN-n de la première couche 102. L'épaisseur de la couche tampon 110 (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 7) est par exemple comprise entre environ 5 nm et 10 μιη. De manière générale, la couche tampon 110 peut avoir une concentration de donneurs compris entre 10 ¹⁷ et 10 donneurs/cm typiquement 10 donneurs/cm .

Les différentes simulations décrites ci-dessous sont réalisées avec le logiciel de simulation SILVACO ^® d'ATLAS ^® .

La structure de bandes à 0 V de la diode 100 polarisée, au sein des différentes couches de la diode 100 (sauf pour la première couche 102), est représentée sur la figure 8. Sur cette figure, la bande de conduction, en eV, comporte la référence 112 et la bande de valence, en également eV, comporte la référence 114. La partie gauche de ces bandes, correspondant aux bandes de conduction et de valence dans la couche tampon 110, montre un gap Eg égal à environ 3,2 eV dans la couche tampon 110. La partie droite de ces bandes, correspondant aux bandes dans la deuxième couche 104 de GaN-p, montre un gap Eg égal à environ 3,4 eV dans la deuxième couche 104. Cette différence de gap (Egn ₀ est égal à environ 0.94.Egi ₀₄ ) est obtenue principalement en raison de la présence de la couche tampon 110 entre la première couche 102 de GaN-n et la zone active 105, ainsi qu'en raison de l'indium présent dans le semi-conducteur des couches barrières 108. En effet, la présence de la couche tampon 110 entre la zone active 105 et la première couche 102 de GaN-n créé une asymétrie dans la jonction p-n de la diode 100. De ce fait, la barrière à franchir pour les trous pour circuler jusqu'à la couche tampon 110 n'est plus que de 3.2 eV alors qu'elle reste de 3.4 eV pour les électrons. Cela permet de répartir de manière homogène les trous dans tous les puits quantiques de la diode 100. De plus, le gap de la couche tampon 110 est de préférence supérieur d'au moins 2 % par rapport au gap des couches émissives 106, ou puits quantiques, améliorant ainsi le confinement dans les puits (Egn ₀ > 1,02 Egi ₀ 6.i ; Egn ₀ > 1,02 Egi ₀ 6.2 ; Egno > 1,02 Egio6.3 dans l'exemple décrit ici).

La caractéristique l(V) de la diode 100, c'est-à-dire la valeur de la densité de courant à l'anode de la diode 100 en fonction de la tension à l'anode de la diode 100, est représentée sur la figure 9. On voit sur la figure 9 qu'une tension de polarisation d'environ 3,2 V appliquée entre l'anode et la cathode de la diode 100 permet d'obtenir une densité de courant d'environ 450 A/cm ² , ce qui est bien supérieur à la densité de courant de 250 A/cm ² obtenue avec la diode 10 de l'art antérieur. Cette forte densité de courant est due au fait que la répartition homogène des trous dans l'ensemble des puits quantiques de la diode 100 augmente fortement le taux de recombinaisons radiatives au sein des puits quantiques de la diode 100.

La figure 10 représente le taux de recombinaisons radiatives, en échelle logarithmique et par cm ³ . s, obtenues dans les différentes couches (sauf la première couche 102) de la diode 100 avec cette tension de polarisation de 3,2 V appliquée entre l'anode et la cathode de la diode 100. On voit sur cette figure qu'un taux de recombinaisons radiatives d'environ 10 ²⁸ crrfV ¹ est obtenu dans les trois puits quantiques formés par les trois couches émissives 106.1, 106.2 et 106.3 de la diode 100. L'émission lumineuse obtenue dans la diode 100 est donc répartie de façon homogène dans les trois puits quantiques de la diode 100.

La figure 11 représente les concentrations en électrons (représentées par des croix référencées 120) et en trous (représentées par des losanges référencés 122), par cm ³ , obtenues dans les différentes couches de la diode 100 polarisée comme précédemment avec une tension de 3,2 V. On voit sur cette figure que les concentrations en électrons et en trous sont équivalentes dans tous les puits quantiques de la diode 100 (concentrations égales à environ 10 ¹⁹ cm ^"3 ), en raison de l'abaissement de la barrière énergétique à franchir pour les trous, facilitant ainsi leur diffusion dans tous les puits quantiques de la diode 100.

Le rendement quantique interne de la diode 100, qui correspond au rapport entre le nombre d'électrons injectés et le nombre de photons émis par les puits quantiques de la diode 100, en fonction de la densité de courant (en A/cm ² ) dans la diode 100 est représenté sur la figure 12. On voit sur cette figure que le rendement quantique interne maximum de la diode 100 est d'environ 25 % et est obtenu pour une densité de courant d'environ 500 A/cm ² , ce qui est bien supérieur au rendement maximum de 4 % obtenu avec la diode 10 de l'art antérieur (rendement multiplié par un facteur d'environ 6).

Pour obtenir des différences de taux de recombinaisons radiatives inférieures à environ 1 ordre de grandeur, c'est-à-dire que le taux de recombinaisons radiatives le plus faible dans les puits quantiques de la diode 100 ne soit pas inférieure à environ un dixième du taux de recombinaisons radiatives le plus élevé dans les puits quantiques de la diode 100, la diode 100 est réalisée en respectant de préférence les paramètres indiqués ci-dessous.

Lorsque la diode 100 comporte un nombre n de puits quantiques, et donc n couches émissives 106, tel que 2≤ n≤ 5, et lorsque la composition en indium dans le semi-conducteur des couches barrières 108 est sensiblement égale ou inférieure à la composition en indium dans le semi-conducteur de la couche tampon 110, alors :

- Le semi-conducteur des couches émissives 106 comporte de préférence entre environ 10 % et 30 % d'indium ;

- Le semi-conducteur des couches barrières 108 comporte une composition x en indium de préférence supérieure à environ 2,5 % ;

- Le semi-conducteur des couches barrières 108 comporte une composition x en indium de préférence inférieure d'au moins environ 3 % par rapport à la composition y en indium du semi-conducteur des couches émissives 106 ; - L'épaisseur de la couche tampon 110 est de préférence supérieure à environ 5 nm.

Ainsi, lorsque 2≤ n≤ 5, pour une composition y en indium égale à environ 10 % dans les couches émissives 106, une composition x en indium égale à environ 2,5 % dans les couches barrières 108 (et donc également dans la couche tampon 110) est suffisante pour homogénéiser l'émission lumineuse dans l'ensemble des puits quantiques de la diode 100. Pour une composition y en indium égale à environ 22 %, une composition x en indium au moins égale à environ 8 % permet d'obtenir une bonne homogénéisation de l'émission lumineuse dans tous les puits quantiques de la diode 100. De plus, pour une diode 100 comprenant une zone active 105 comportant cinq puits quantiques, c'est-à-dire cinq couches émissives 106, avec une composition y en indium égale à environ 16 % dans les couches émissives 106, les couches barrières 108 et la couche tampon 110 peuvent être réalisées à partir d'un semi-conducteur présentant une composition x en indium égale à environ 8 %, la couche tampon 110 pouvant dans ce cas avoir une épaisseur supérieure à environ 20 nm.

Lorsque la diode 100 comporte un nombre n de puits quantiques tel que 5≤n≤ 10, et lorsque la composition en indium dans le semi-conducteur des couches barrières 108 est égale ou inférieure à la composition en indium dans le semi-conducteur de la couche tampon 110, alors :

- Le semi-conducteur des couches émissives 106 comporte de préférence entre environ 10 % et 30 % d'indium ;

- Le semi-conducteur des couches barrières 108 comporte de préférence une composition x en indium supérieure à environ 4 % ;

- Le semi-conducteur des couches barrières 108 comporte de préférence une composition x en indium inférieure d'au moins environ 3 % par rapport à la composition y en indium du semi-conducteur des couches émissives 106 ;

- L'épaisseur de la couche tampon 110 est de préférence supérieure à environ 5 nm.

Ainsi, lorsque 5≤ n≤ 10, pour une composition y en indium égale à environ 10 % dans les couches émissives 106, une composition x en indium égale à environ 4 % dans les couches barrières 108 (et donc également dans la couche tampon 110) est suffisante pour homogénéiser l'émission lumineuse dans l'ensemble des puits quantiques de la diode 100. Pour une composition y en indium égale à environ 22 %, une composition x en indium au moins égale à environ 12 % permet d'obtenir une bonne homogénéisation de l'émission lumineuse dans tous les puits quantiques de la diode 100. De plus, pour une diode comprenant une zone active 105 formée de dix puits quantiques avec une composition y en indium égale à environ 16 % dans les couches émissives 106, les couches barrières 108 et la couche tampon 110 peuvent être réalisées à partir d'un semi-conducteur présentant une composition x en indium égale à environ 10 % ou 12 %, la couche tampon 110 pouvant dans ce cas avoir une épaisseur supérieure à environ 20 nm.

Lorsque la diode 100 comporte un nombre n de puits quantiques tel que n > 10, et lorsque la composition en indium dans le semi-conducteur des couches barrières 108 est égale ou inférieure à la composition en indium dans le semi-conducteur de la couche tampon 110, alors :

- Le semi-conducteur des couches émissives 106 comporte de préférence entre environ 10 % et 30 % d'indium ;

- Le semi-conducteur des couches barrières 108 comporte de préférence une composition x en indium supérieure à environ 6 % ;

- Le semi-conducteur des couches barrières 108 comporte de préférence une composition x en indium inférieure d'au moins environ 3 % par rapport à la composition y en indium du semi-conducteur des couches émissives 106 ;

- L'épaisseur de la couche tampon 110 est de préférence supérieure à environ 5 nm.

Ainsi, lorsque n > 10, pour une composition y en indium égale à environ 10 % dans les couches émissives 106, une composition x en indium égale à environ 6 % dans les couches barrières 108 (et donc également dans la couche tampon 110) est suffisante pour homogénéiser l'émission lumineuse dans l'ensemble des puits quantiques de la diode 100. Pour une composition y en indium égale à environ 22 %, une composition x en indium au moins égale à environ 13 % permet d'obtenir une bonne homogénéisation de l'émission lumineuse dans tous les puits quantiques de la diode 100. De plus, la couche tampon 110 peut dans ce cas avoir une épaisseur supérieure à environ 20 nm.

L'exemple de réalisation de la diode 100 précédemment décrit comporte une couche tampon 110 à base d'un semi-conducteur (de l'InGaN dans l'exemple décrit) présentant une composition en indium sensiblement égale à celle du semi-conducteur des couches barrières 108. En variante, il est possible que la composition en indium du semi-conducteur de la couche tampon 110 soit différente de celle du semi-conducteur des couches barrières 108, et notamment supérieure à celle du semi-conducteur des couches barrières 108.

De plus, la diode 100 précédemment décrite comporte une couche tampon 110 à base d'un semi-conducteur présentant une composition en indium constante dans l'ensemble la couche tampon 110. En variante, la composition en indium, appelée z, du semi-conducteur de la couche tampon 110 peut varier entre une première valeur zi et une deuxième valeur z ₂ supérieure à la première valeur zi selon une direction sensiblement perpendiculaire à une première face 116 de la couche tampon 110 contre laquelle la première couche 102 de GaN-n est disposée (c'est-à-dire le long de l'épaisseur de la couche tampon 110, parallèlement à l'axe Z représenté sur la figure 7), et dans laquelle la composition en indium z au niveau de la première face 116 de la couche tampon 110 est égale à la première valeur zi. Il est dans ce cas avantageux d'avoir une couche tampon 110 dont le semi-conducteur comporte une composition en indium variable permettant de passer graduellement de la valeur de la composition en indium du semi-conducteur de la première couche 102 (valeur nulle dans les exemples précédemment décrits) à la valeur de la composition en indium du semi-conducteur de la première couche barrière 108.1 en contact avec la couche tampon 100 au niveau d'une face 118 opposée à la première face 116.

La figure 13 représente un premier exemple de profil de variation de la composition en indium dans les semi-conducteurs des différentes couches de la diode 100. Dans la première couche 102 de GaN-n, la composition en indium est sensiblement nulle. Dans la couche tampon 110, la composition en indium varie de manière croissante (par exemple de manière exponentielle) entre une première valeur zi sensiblement nulle et une deuxième valeur z ₂ = x ou z ₂ > x, x correspondant à la composition en indium dans le semi-conducteur des couches barrières 108. La composition en indium dans le semiconducteur des couches émissives 106 est appelée y et est supérieure à la valeur de x. Enfin, dans la deuxième couche 104 de GaN-p, la composition en indium est sensiblement nulle. Une telle variation de la composition en indium dans la couche tampon 110 peut être envisagée en réalisant la couche tampon 110 et la première couche barrière 108.1 telles que la somme des épaisseurs de ces deux couches soit supérieure ou égale à environ 5 nm. Ce profil de variation de la composition en indium dans la couche tampon 110 a pour avantage d'adapter de manière progressive le paramètre de maille du semiconducteur de la première couche 102 à celui du semi-conducteur de la première couche barrière 108.1.

La figure 14 représente un deuxième exemple de profil de variation de la composition en indium dans les semi-conducteurs des différentes couches de la diode 100. Par rapport au premier exemple précédemment décrit en liaison avec la figure 13, la composition en indium du semi-conducteur de la couche tampon 110 croît tout d'abord de manière linéaire depuis la première valeur zi sensiblement nulle jusqu'à une troisième valeur z ₃ supérieure à la valeur x, puis décroît de manière linéaire depuis la troisième valeur z ₃ jusqu'à la deuxième valeur z ₂ = x ou ou z ₂ > x. Ce profil de variation de la composition en indium dans la couche tampon 110 a pour avantage de favoriser encore plus le passage des trous dans les différents puits quantiques de la diode 100.

Dans une autre variante, il est également possible que chacune des couches barrières 108 soit à base d'un semi-conducteur présentant une composition en indium différente de celle des semi-conducteurs des autres couches barrières 108. La figure 15 représente un exemple de profil de variation de la composition en indium dans les semi-conducteurs des différentes couches d'une telle diode. On voit sur cette figure que la composition xi en indium du semi-conducteur de la première couche barrière 108.1 est égale à celle dans le semi-conducteur de la couche tampon 110. En variante, il est possible que la composition en indium du semi-conducteur de la couche tampon 110 soit variable, par exemple comme précédemment décrit en liaison avec les figures 13 et 14. La composition x ₂ en indium dans la deuxième couche barrière 108.2 est inférieure à xi. De même, la composition x ₃ en indium dans la troisième couche barrière 108.3 est inférieure à x ₂ , et la composition x ₄ en indium dans la quatrième couche barrière 108.4 est inférieure à x ₃ . Il est bien entendu possible que la diode 100 comporte un nombre de couches barrières différent dépendant du nombre de puits quantiques que comporte la diode 100. Une telle variante est avantageusement utilisée pour une diode comportant au moins trois puits quantiques et réalisée de préférence en respectant les paramètres ci- dessous.

Lorsque la diode 100 comporte un nombre n de puits quantiques, et donc de couches émissives 106, tel que 3≤ n≤ 5, alors :

- Le semi-conducteur des couches émissives 106 comporte de préférence entre environ 10 % et 30 % d'indium ;

- Le semi-conducteur de la première couche barrière 108 (celle se trouvant en contact avec la couche tampon 110) comporte une composition xi en indium de préférence supérieure à environ 4 %, et le semi-conducteur de la dernière couche barrière 108 (celle se trouvant en contact avec la deuxième couche 104 de GaN-p) comporte une composition x _m (m correspondant au nombre total de couches barrières de la diode) en indium de préférence égale à environ 0,5 % ;

- L'épaisseur de la couche tampon 110 est de préférence supérieure à environ 5 nm.

Ainsi, pour une diode 100 comprenant une zone active 105 formée de cinq puits quantiques, ou cinq couches émissives 106, avec une composition y en indium égale à environ 16 % dans les couches émissives 106, la première couche barrière 108.1 peut être réalisée à partir d'un semi-conducteur présentant une composition xi en indium égale à environ 6,5 % ou 7,5%. La composition en indium des autres couches barrières peut diminuer de 1 % pour chacune des couches barrières suivantes jusqu'à arriver à la dernière couche barrière 108.6 (celle en contact avec la deuxième couche 104 de GaN-p) dont la composition x ₆ en indium est alors égale à environ 0,5 % ou environ 1,5 %.

Lorsque la diode 100 comporte un nombre n de puits quantiques tel que

5≤ n≤ 10, alors : - Le semi-conducteur des couches émissives 106 comporte de préférence entre environ 10 % et 30 % d'indium ;

- Le semi-conducteur de la première couche barrière 108 comporte une composition xi en indium de préférence supérieure à environ 8 %, et le semiconducteur de la dernière couche barrière 108 comporte une composition x _m en indium de préférence égale à environ 0,5 % ;

- L'épaisseur de la couche tampon 110 est de préférence supérieure à environ 5 nm.

Lorsque la diode 100 comporte un nombre n de puits quantiques tel que n > 10, alors :

- Le semi-conducteur des couches émissives 106 comporte de préférence entre environ 10 % et 30 % d'indium ;

- Le semi-conducteur de la première couche barrière 108 comporte une composition xi en indium de préférence supérieure à environ 12 %, et le semiconducteur de la dernière couche barrière 108 comporte une composition x _m en indium de préférence égale à environ 2,5 % ;

- L'épaisseur de la couche tampon 110 est de préférence supérieure à environ 5 nm.

Ainsi, pour une diode comprenant une zone active 105 formée de dix puits quantiques, ou dix couches émissives 106, avec un composition y en indium égale à environ 16 % dans les couches émissives 106, la première couche barrière 108.1 peut être réalisée à partir d'un semi-conducteur présentant une composition xi en indium égale à environ 14 %. La composition en indium des autres couches barrières peut diminuer de 1 % pour chacune des couches barrières suivantes jusqu'à arriver à la dernière couche barrière 108.11 dont la composition x en indium est égale à environ 3 %.

Dans une variante de réalisation, il est possible que le semi-conducteur dopé p de la deuxième couche 104 soit en partie composé d'indium, et correspond par exemple à de l'InGaN dopé p. Dans ce cas, les valeurs des compositions en indium des autres éléments de la diode 100 (couche tampon 110, couches barrières 108, couches émissives 106) pourront se baser sur les exemples de valeurs précédemment décrites, mais majorées du pourcentage d'indium se trouvant dans le semi-conducteur de la deuxième couche 104. De plus, selon cette variante, la composition en indium du semiconducteur de la couche tampon 110 sera de préférence similaire à la composition en indium du semi-conducteur de la première couche barrière 108 se trouvant en contact avec la couche tampon 110, ou bien être variable et notamment supérieure comme précédemment décrit en liaison avec les figures 13 et 14.

Enfin, il est également possible que dans la diode 100, la première couche 102 de semi-conducteur dopé n et la couche tampon 110 correspondent à une seule et même couche d'un même semi-conducteur dopé n, par exemple de l'InGaN-n. Dans ce cas, la concentration de dopage en donneurs d'une telle couche peut être similaire à celle précédemment décrite pour la première couche 102 de GaN-n, et la composition en indium d'une telle couche peut être similaire à celle précédemment décrite pour la couche tampon 110.

L'épaisseur d'une telle couche peut être comprise entre environ 20 nm et 10 μιη.

Cette unique couche de semi-conducteur dopé n peut être en contact avec un substrat de silicium, de saphir, de SiC ou encore de GaN intrinsèque, ou avec une couche dopée n de silicium, de SiC, etc.

Dans une autre variante, il est possible que la jonction p-n de la diode 100 soit formée par une première couche 102 d'InGaN-n et par une deuxième couche 104 d'InGaN-p. Les matériaux de la couche tampon 110 et de la deuxième couche 104 sont tels que le semi-conducteur dopé n de la couche tampon 110 présente une énergie de bande interdite inférieure ou égale à environ 97 % de l'énergie de bande interdite du semi-conducteur dopé p de la deuxième couche 104 (Egn ₀ < 0,97 Egi ₀₄ ), ce qui se traduit par une concentration en indium dans le semi-conducteur dopé n de la couche tampon 110 supérieure d'au moins 2,5 % par rapport à la concentration en indium dans le semiconducteur dopé p de la deuxième couche 104. Dans ce cas, dans les différentes inégalités indiquées précédemment, les valeurs des concentrations en indium x et y des semi-conducteurs des couches barrières 108 et des couches émissives 106 sont majorées de la valeur de la concentration en indium dans le semi-conducteur dopé p de la deuxième couche 104.

Dans les différents exemples et variantes précédemment décrits, le semi-conducteur utilisé pour les différents éléments de la diode 100 est du GaN (avec ajout d'indium pour la réalisation des couches émissives, des couches barrières et de la couche tampon, et éventuellement aussi pour la réalisation de la première couche 102 et/ou de la deuxième couche 104).

Toutefois, il est possible de réaliser la diode 100 à partir de n'importe quel semi-conducteur permettant de réaliser des jonctions p-n adaptées pour des diodes électroluminescentes à multiples puits quantiques et présentant de grandes différences de mobilité pour les électrons et les trous et/ou de grandes différences de dopage. Il est notamment possible d'utiliser, à la place du GaN, des semi-conducteurs à grands gaps tels que par exemple du GalnN, du ZnO, du ZnMgO, ou du ZnMgO pouvant potentiellement servir à réaliser une émission lumineuse dans la gamme des longueurs d'ondes correspondant à la couleur bleu ou à l'ultra-violet. Il est également possible d'utiliser des semi-conducteurs à plus petits gaps tels que par exemple de ΓΙηΡ, du GaP, de l'InGaP, de l'InAs, du G a As, de l'InGaAs, de l'AIGalnP, de l'AIGaAs.

En variante, la diode 100 peut également comporter une couche de blocage d'électrons, par exemple à base d'AIGaN, disposée entre la dernière couche barrière (correspondant à la couche 108.4 dans les exemples précédemment décrits) et la deuxième couche 104 de semi-conducteur dopé p.

Une telle couche de blocage d'électrons permet d'empêcher encore plus le passage des électrons vers la deuxième couche 104 de semi-conducteur dopé p.

Une telle couche de blocage d'électrons permet de diminuer également le DROOP, c'est-à-dire la chute de l'efficacité quantique interne lorsque la densité de courant dans la diode augmente, cette chute étant partiellement due à l'échappement des électrons de la zone active quand on augmente le courant. En se référant à la figure 12, l'ajout d'une telle couche de blocage d'électrons permet d'atténuer la baisse du rendement quantique interne de la diode lorsque la densité de courant est supérieure à environ 500 A/cm ² . La diode électroluminescente 100 selon l'invention précédemment décrite, comportant une zone active formée d'une alternance de puits quantiques et de couches barrières, et une couche tampon, peut être réalisée sous la forme d'une diode planaire, c'est-à-dire sous la forme d'un empilement de couches (102, 110, 105 et 104) formées sur un substrat, comme représenté sur la figure 7, les faces principales des différentes couches étant disposées parallèlement au plan du substrat (parallèle au plan (Χ,Υ))·

En variante, la diode électroluminescente 100 selon l'invention peut également être réalisée sous la forme d'un nanofil. La figure 16A représente une telle diode 100 réalisée sous la forme d'un nanofil axial, ce nanofil comportant une empilement formé de la première électrode 101, d'un substrat 124 de semi-conducteur (par exemple du silicium) de type n, d'une couche de nucléation 126 permettant la croissance du nanofil, de la première couche 102 de semi-conducteur dopé n, de la couche tampon 110 de semi-conducteur dopé n, de la zone active 105, de la deuxième couche 104 de semi-conducteur dopé p, et de la deuxième électrode 103. Un matériau isolant 128 peut entourer au moins une partie de ce nanofil qui s'étend parallèlement à l'axe Z.

La figure 16B représente une diode 100 réalisée sous la forme d'un nanofil radial, ce nanofil comportant un empilement formé de la première électrode 101, du substrat 124 de semi-conducteur, de la couche de nucléation 126 et de la première couche 102 de semi-conducteur dopé n. Des portions isolantes 128 entourent en partie la première couche 102 et la couche de nucléation 126. La couche tampon 110 est réalisée telle qu'elle entoure au moins une partie de la première couche 102. La zone active 105 (formée des couches barrières 108 et des couches émissives 106) est réalisée telle qu'elle entoure la couche tampon 110. La deuxième couche 104 de semi-conducteur dopé p est réalisée telle qu'elle entoure la zone active 105. Enfin, la deuxième électrode 103 est réalisée en recouvrant la deuxième couche 104.

En variante des deux exemples de réalisation décrits sur les figures 16A et 16B, la structure de ces nanofils peut être inversée, avec dans ce cas un substrat 124 de semi-conducteur de type p sur lequel est réalisée la deuxième couche 104, puis les autres éléments de la diode 100 dans l'ordre inverse de celui décrit sur les figures 16A et 16B.

Les différentes caractéristiques (épaisseurs, dopage, etc.) précédemment exposées pour la diode 100 de type planaire peuvent être similaires pour la diode 100 réalisée sous la forme d'un nanofil.