L'invention porte sur un dispositif émetteur de lumière, plus particulièrement sur une diode électroluminescente et notamment sur une diode électroluminescente blanche. Le dispositif de l'invention comprend en particulier une matrice monolithique, réalisée de préférence par croissance épitaxiale, en nitrures d'éléments III, par exemple en utilisant des alliages (AI,Ga,ln)N.

L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un tel dispositif.

Des diodes blanches monolithiques connues de l'art antérieur comprennent une pluralité de régions électroluminescentes, formées par des puits quantiques ou des plans de boîtes quantiques en nitrures d'éléments III, émettant à des longueurs d'ondes différentes qui se combinent pour donner une lumière blanche. Voir par exemple le document US 6,445,009.

Toutefois, le rendement lumineux de ces dispositifs est limité par celui des régions électroluminescentes à plus faible efficacité, notamment celles émettant dans le jaune. En outre, la répartition des électrons et des trous dans les boîtes quantiques ou les puits quantiques est modifiée en fonction de la tension appliquée à la diode. La couleur de la lumière émise peut donc varier avec l'intensité du courant électrique.

Pour éviter ces inconvénients, il est connu de réaliser des diodes électroluminescentes blanches comprenant une région électroluminescente, émettant une lumière bleue ou ultraviolette, et une région fluorescente, pompée par ladite lumière bleue ou ultraviolette et réémettant un rayonnement à plus grande longueur d'onde. Conventionnellement, les diodes de ce type ne sont pas monolithiques : par exemple, dans le cas du document US2006/0124917 la région fluorescente est constituée par un empilement de puits quantiques en semi-conducteurs ll-VI, rapportée sur une diode électroluminescente bleue en semi-conducteurs lll-V. La réalisation séparée de la diode électroluminescente bleue et de la région fluorescente, puis leur assemblage, rendent la fabrication d'un tel dispositif complexe et coûteuse.

Le document US 2003/006430 décrit une diode électroluminescente blanche monolithique comprenant une région électroluminescente et une région fluorescente constituée par des couches de GaN dopées Si ou Se, présentant une émission dans le jaune provoquée par des niveaux énergétiques profonds qui proviennent de défauts cristallins. L'émission fluorescente ainsi obtenue présente une efficacité quantique limitée, et sa longueur d'onde ne peut pas être ajustée pour obtenir une lumière présentant une tonalité voulue.

Les documents US 2004/0227144 et WO 2007/104884 décrivent des diodes blanches monolithiques comprenant une portion active (une diode électroluminescente), pouvant être parcourue par un courant électrique, et une portion passive (convertisseur de longueur d'onde) qui, en raison de sa position, ne peut pas être parcourue par un courant électrique. La portion active comprend un premier empilement de puits quantiques (ou plans de boîtes quantiques) en semi-conducteurs lll-V, émettant un rayonnement bleu par injection électrique par ledit courant électrique, tandis que la portion passive comprend un deuxième empilement de puits quantiques (ou plans de boîtes quantiques) en semi-conducteurs lll-V, émettant un rayonnement jaune, ou vert et rouge, par pompage optique par le rayonnement émis par le premier empilement.

Une telle structure est attrayante, mais difficile à réaliser. En effet, afin de ne pas être parcourue par le courant électrique qui traverse la portion active, la portion passive doit être réalisée la première, par dépôt épitaxial sur un substrat adapté. La portion active doit être réalisée en un deuxième temps, au-dessus de ladite portion passive. Or, pour pouvoir fonctionner correctement en tant que convertisseur de longueur d'onde, l'empilement de puits quantiques ou de plans de boîtes quantiques de la portion passive doit présenter une teneur en Indium (In) élevée - typiquement supérieure à 20% - ce qui la rend instable en cas de chauffage au-delà d'une température supérieure à 1050 ° C environ. Cela sigrifie que la croissance de la portion active doit être réalisée à « basse » température (moins de 1000 ° C, de préférence 950 °C ou moins), ce qui exclut le recouis aux techniques d'épitaxie en phase vapeur aux organométallique (EPVOM, ou MOCVD de l'anglais

« Métal Organic Chemical Vapor Déposition »), qui sont les plus couramment employées dans l'industrie. Il est intéressant de noter que le document US 2004/0227144 précité décrit un procédé de fabrication comprenant une étape de croissance de la portion active effectuée à une température de 1020 - 1040 °C ce qui, compte tenu du temps nécessaire pour sa réalisation, conduirait nécessairement à une altération (et notamment à un noircissement) du convertisseur dans la portion passive.

Le document DE 10 2004 052 245 décrit une diode électroluminescente comprenant une portion active (électroluminescente) et une portion passive (convertisseur de longueur d'onde) réalisée au-dessus de la portion active. Cette structure « inversée » permet de réaliser la portion passive après la portion active, et donc d'éviter tout risque de dégradation thermique. Toutefois, cela implique un passage du courant électrique à travers la portion passive, ce qui n'est pas usuel et pourrait, en principe, dégrader les caractéristiques électriques du dispositif, voire induire une électroluminescence non souhaitée du convertisseur de longueur d'onde.

L'invention vise à pallier les inconvénients précités de l'art antérieur, et notamment à procurer un dispositif semi-conducteur monolithique émetteur de lumière présentant un rendement élevé, un spectre d'émission stable dans le temps, de bonnes propriétés électriques et pouvant être fabriqué par des procédés industriels standard.

Un objet de l'invention, permettant d'atteindre un tel but, est constitué par un dispositif selon la revendication 1 .

Un autre objet de l'invention est un procédé selon la revendication 6, permettant la fabrication d'un tel dispositif,

Les revendications dépendantes portent sur des modes de réalisation avantageux d'un tel dispositif et d'un tel procédé.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

La figure 1 , la structure d'une diode électroluminescente blanche monolithique en nitrures d'éléments III connue de l'art antérieur ;

- les figures 2 à 7, des structures de diodes électroluminescentes blanches données à titre d'exemple et ne relevant pas de l'invention ; - la figure 8 la structure d'une diode électroluminescente blanche selon un mode de réalisation de l'invention

- La figure 9, le spectre d'émission d'une diode électroluminescente blanche monolithique en nitrures d'éléments III du type de la figure 5, acquis en face avant (c'est-à-dire à l'opposé du substrat) et en face arrière (c'est-à-dire à travers le substrat) ;

La figure 10, la caractéristique tension-courant de ladite diode électroluminescente blanche monolithique en nitrures d'éléments III, comparée à celle d'une diode bleu conventionnelle ; et

- La figure 1 1 , les spectres de photoluminescence normalisés de trois convertisseurs de longueur d'onde pouvant être utilisés, séparément ou conjointement, dans une diode électroluminescente blanche monolithique en nitrures d'éléments III selon un mode de réalisation de l'invention.

La figure 1 illustre la structure d'une diode blanche monolithique connue de l'art antérieure, et particulièrement du document WO 2007/104884 précité. Une telle diode comprend, du bas vers le haut :

un substrat 7 transparent à la lumière qui doit être émise par le dispositif, par exemple en saphir, , SiC, ZnO ou GaN ;

une ou plusieurs couches tampons 6 en AIGalnN intrinsèque ou, plus précisément non intentionnellement dopée (n.i.d.) ; « AIGalnN » est ici une formule générale qui signifie Al _x Ga _y ln _z N, avec x+y+z=1 et où un ou deux des coefficients stœchiométriques x, y ,z peuvent également être nuls ;

une couche 5 dite « inférieure » en AIGalnN de type n.i.d. - un « convertisseur » formé par un empilement 40 de puits quantiques ou plans de boîtes quantiques en ln _x Ga-i- _x N / GaN susceptibles d'absorber un rayonnement à une première longueur d'onde (typiquement dans le bleu) et de réémettre un rayonnement à une deuxième longueur d'onde, plus élevée (typiquement dans le jaune) ; le coefficient stœchiométrique x est généralement supérieur ou égal à 0,2 ;

une région (couche ou structure multicouche) 30, dite « de séparation », en AIGalnN de type n, présentant typiquement une épaisseur de l'ordre de 2 μιη ; un empilement 2 de puits quantiques ou plans de boîtes quantiques en ln _x Ga-i- _x N / GaN (avec typiquement x<0,2), susceptible d'émettre un rayonnement à ladite première longueur d'onde par injection électronique ; et

- une région (couche ou structure multicouche) 1 , dite

« supérieure », en AIGaInN de type p, présentant typiquement une épaisseur de l'ordre de 200 nm (la AIGaInN de type p étant très résistif, on cherche à minimiser son épaisseur).

Les régions 1 , 2, 30, 40, 5 et 6 forment une matrice monolithique en semi-conducteur de type nitrure d'éléments III, fabriquée généralement par dépôt épitaxial sur le substrat 7. A l'intérieur de cette matrice, les régions 1 , 2 et 30 forment une diode électroluminescente.

Une gravure en « marche d'escalier » permet de dégager une région de la surface supérieure de la région 30 pour y déposer une électrode 9. Une autre électrode 8 est déposée sur la couche supérieure 1 (sa surface doit être plus élevée que celle de l'électrode 9 en raison des propriétés électriques moins favorables du semi-conducteur de type p. L'électrode 8 doit recouvrir de préférence toute la surface de la diode électroluminescente afin d'assurer une injection homogène du courant). Les électrodes 8 et 9 permettent de faire passer un courant électrique à travers la diode 1 -2-30 ; on parle donc de « portion active » de la matrice. Par contre, on comprend qu'aucun courant ne peut traverser les couches 40, 5 et 6 (« portion passive »), en raison de la présence de la couche « de séparation » 30, non dopée et présentant une épaisseur relativement importante.

Comme mentionné plus haut, le dépôt d'une telle couche 3 doit se faire à une température élevée (supérieure à 1000 ° C), ce qui risque d'endommager le convertisseur 40.

La figure 2 représente une diode électroluminescente ne relevant pas de l'invention, dans laquelle un courant électrique traverse aussi bien la portion « active » que la portion « passive » (convertisseur de longueur d'onde) de la matrice. Les mêmes chiffres de référence représentent les mêmes éléments que sur la figure 1 . Par rapport au dispositif de la figure 1 on peut remarquer les différences suivantes :

l'électrode 9 est réalisée sur la face arrière du substrat, qui doit être conducteur (référence 71 ) : on réalise ainsi un dispositif à structure verticale et on évite l'étape de gravure « en marche d'escalier » ; la contrepartie est que le courant électrique traverse tout le dispositif, y compris le convertisseur ; cette électrode peut être transparente, semi-transparente ou en forme de grille pour permettre l'extraction des photon, alors qu'il est préférable que l'électrode 8, du côte « p » du dispositif, soit une couche métallique épaisse pour assurer un meilleur contact électrique et se comporter également comme un réflecteur de lumière;

le convertisseur - identifié par la référence 4 - se différencie du convertisseur 40 de la figure 1 en ce qu'il est dopé « n » afin de présenter une conductivité suffisante (un dopage « p » est possible en théorie, mais moins avantageux) ;

la région de séparation - identifiée par la référence 3 - peut présenter une épaisseur beaucoup plus faible, par exemple de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, voire seulement de 100 nm ou moins. En effet, elle ne doit plus assurer l'isolement du convertisseur, qui est en tout cas traversé par le courant électrique. En outre, le convertisseur 4, étant dopé, peut assurer la fonction d'injection d'électrons dans l'empilement « actif » 2.

La croissance d'une couche 3 aussi mince peut s'effectuer par dépôt en phase vapeur aux organométalliques à une température inférieure à 1000 °C, par exemple d'environ 950 °C ou moins, cequi évite tout risque d'endommagement du convertisseur 4.

La figure 3 illustre une diode électroluminescente ne relevant pas de l'invention, dans laquelle un courant électrique traverse aussi bien la portion « active » que la portion « passive » (convertisseur de longueur d'onde) de la matrice. Cette diode présente également une structure verticale, mais elle est réalisée par retournement de puce (« flip chip »). Autrement dit, la matrice épitaxiale est séparée de son substrat, retournée et déposée sur un autre substrat, 70, qui n'est pas nécessairement transparent. La référence 80 identifie une couche métallique de brasure, servant également d'électrode. L'autre électrode, 90, est déposée sur la couche de type n 50 (qui correspond à la couche « inférieure » 5 des figures 1 et 2, mais se trouve maintenant « en haut » du dispositif). La surface de ladite couche 50 peut être texturée pour faciliter l'extraction des photons.

Les figures 4, 5 et 6 se rapportent à trois diodes électroluminescente ne relevant pas de l'invention, dans lesquelles un courant électrique traverse aussi bien la portion « active » que la portion « passive » (convertisseur de longueur d'onde) de la matrice. Ces diodes., présentent une structure plus proche de celle de la figure 1 . Les seules différences concernent l'épaisseur de la région de séparation 3, qui est réduite (comme dans le cas des figures 2 et 3), et le fait que le convertisseur 4 présente un dopage, préférentiellement de type n. En raison de la faible épaisseur de la couche de séparation 3, des lignes de courant électrique traversent au moins la partie supérieure du convertisseur 4.

Dans le cas de la figure 4, le contact électrique 9 est réalisé sur une portion latérale du convertisseur. Dans celui de la figure 5, ledit contact est réalisé sur une portion latérale de la région de séparation 3. Et dans le cas de la figure 6 ce contact est réalisé sur une portion latérale de la couche inférieure 5. Ces trois variantes sont sensiblement équivalentes ; on remarquera seulement que, pour pouvoir réaliser le contact sur la région de séparation 3, il faut contrôler très précisément la gravure « en marche d'escalier » en raison de la faible épaisseur de cette couche.

La figure 7 illustre la structure d'une autre diode électroluminescente qui procède d'un principe différent de celui à la base des diodes décrites ci-dessus. En effet, dans ce cas, la clé pour éviter l'endommagement thermique du convertisseur 4 ne réside pas tant dans la réalisation d'une couche de séparation 3 mince, quant dans l'adoption d'une structure inversée, dans laquelle ledit convertisseur est réalisé après l'empilement « actif » 2. Comme dans les autres exemples, cela implique la nécessité d'autoriser le passage d'un courant électrique à travers ledit convertisseur.

Ainsi le dispositif de la figure 7 comprend, du bas vers le haut : une électrode 8 (la structure est de type vertical) ; un substrat conducteur 71 , de type p ;

une couche tampon 6 en AIGalnN de type p. ;

une couche 1 1 en AIGalnN de type p ;

un empilement électroluminescent 2 de puits quantiques ou plans de boîtes quantiques de semi-conducteur lll-V ;

une région de séparation 3, de type n ou n.i.d., dont l'épaisseur n'est pas critique ;

un convertisseur 4, présentant un dopage de type n ;

une électrode 9 qui peut être déposée directement au- dessus du convertisseur 4, ou par l'intermédiaire d'une couche de contact de type n (non représentée). De préférence l'électrode 9 peut être transparente, semi-transparente ou en forme de grille pour permettre l'extraction du rayonnement généré.

L'avantage de ce dispositif est que le convertisseur 4 est réalisé en dernier ; il ne peut donc pas être endommagé même si d'autres couches sont déposées (préalablement) à haute température.

Le principal inconvénient de ce dispositif réside dans le fait que le courant doit traverser une épaisseur importante de semi-conducteur de type p (substrat 71 , couches 6 et 1 1 ), qui présente une résistivité élevée ; en outre, le contact 8 est pris sur une région de type p (le substrat 71 ), ce qui accroît encore la résistance vue par le courant. Pour réduire cette résistance on pourrait réaliser une gravure en marche d'escalier afin de prendre un contact directement sur une portion de la couche 1 1 . Cependant, en raison de la résistivité de ladite couche, cela conduirait à une répartition du courant peu homogène ; en outre, l'opération de gravure serait susceptible de dégrader la conductivité des des couches p, alors que ce problème ne se pose pas pour des couches de type n.

Des problèmes semblables se posent dans le cas du dispositif illustré par la figure 2 du document DE 10 2004 052 245 précité.

La structure de la figure 8, qui illustre un mode de réalisation de l'invention, permet de remédier à ces inconvénients. Dans ce dispositif, la couche 1 1 de type p est remplacée par une couche 51 de type n, moins résistive. En contrepartie, du côté opposé de l'empilement actif 2 il faut prévoir une couche 3A de type p. Mais comme, en général, on ne souhaite pas réaliser un convertisseur 4 avec dopage de type p, on introduit une jonction tunnel 3B ayant son côté p++ du côté de la couche 3A et son côté n++ du côté du convertisseur 4, qui a un dopage de type n. La jonction tunnel 3B présente une épaisseur très faible, de l'ordre de quelques nanomètres, tandis que la couche 3A, de type p, présente typiquement une épaisseur de l'ordre de 100 nm.

Seuls des dispositifs comportant un convertisseur 4 avec dopage n ont été décrits en détail. Si le dopage du convertisseur était de type p, celui des autres couches de la matrice devrait changer en conséquence. Toutefois, il est connu que les convertisseurs de type p sont moins efficaces que ceux de type n.

Un seul mode de réalisation de l'invention a été décrit ; plusieurs autres variantes sont cependant possibles. En particulier, des dispositifs selon l'invention peuvent présenter une structure plus complexe, comprenant des couches additionnelles ou en remplaçant des couches « simples » par des structures multicouches. En particulier, un même dispositif peut comprendre plusieurs convertisseurs émettant à différentes longueurs d'onde.

Le dispositif de la figure 8 est destiné à l'émission d'une lumière blanche, mais il ne s'agit pas là d'une caractéristique essentielle de l'invention.

Le dispositif de la figure 8 comprend un substrat 71 conducteur (de type n, tout comme la couche tampon 6), et une électrode 8 déposée sur la face arrière (opposée à celle portant la matrice) de ce substrat. En variante, le substrat pourrait être isolant et l'électrode 8 être réalisée en contact direct avec la couche 51 grâce à une gravure en marche d'escalier (cf. la figure 6). Selon une autre variante, la matrice pourrait être détachée du substrat, et l'électrode 8 être déposée directement sur la face arrière de la couche 51 . Ces exemples ne sont pas limitatifs. Dans tous les cas, grâce à l'utilisation de la jonction tunnel 3B on parvient à minimiser l'épaisseur des régions dopées p traversées par le courant et à assurer que les contacts électriques soient pris sur des régions dopées n.

Pour parvenir à l'invention, les inventeurs on dû surmonter un préjugé technique. En effet, il était cru auparavant que le passage d'un courant électrique à travers du convertisseur 4 aurait d'une part perturbé l'émission fluorescente dudit convertisseur, d'autre part dégradé les propriétés électriques du dispositif d'une manière inacceptable. De manière inattendue, les présents inventeurs se sont rendu compte que ce n'est pas le cas.

Cela a été démontré expérimentalement en réalisant un prototype présentant la structure de la figure 5. La matrice de ce prototype a été entièrement réalisée par EPVOM. Elle comprend l'empilement de couches suivant, en partant du substrat 7 en saphir : une couche inférieure 5 de 4,5 μιτι d'épaisseur en GaN dopé Si, un convertisseur 4 formé de 20 puits quantiques ln ₀ ,25Ga ₀ ,75N (1 .2 nm) / GaN : Si (20 nm), une couche de séparation 3 de GaN : Si (20 nm), un empilement électroluminescent 2 formé de 5 puits quantiques lno _, -iGa _0,.9 N (1 .2 nm) / GaN (10 nm), une couche supérieure (en fait, une structure multicouches) 1 comprenant 20 nm d'épaisseur de AI ₀ .-i ₄ Ga ₀ .86N : Mg et 235 nm de GaN : Mg. Les couches dopées Si présentent une conductivité de type n et les couches dopées Mg une conductivité de type p.

La figure 9 montre les spectres d'émission de ce prototype, alimenté par un courant de 20 mA à température ambiante. Deux spectres ont été acquis, l'un « face avant » et l'autre « face arrière », c'est-à-dire à travers le substrat. On peut noter un premier pic à 380 nm (violet) correspondant à l'émission de l'empilement actif 2 et un deuxième pic à 480 nm (jaune) correspondant à la fluorescence du convertisseur 4. Les deux spectres ont été normalisés de telle sorte que l'intensité du pic à 380 nm vaille 1 . On peut remarquer que le pic à 480 nm est plus intense en face arrière qu'en face avant. Cela est normal car l'émission en face avant comprend aussi les photons à 380 nm qui n'ont pas traversé le convertisseur.

La figure 10 permet de comparer la caractéristique courant- tension du prototype avec celle d'une diode électroluminescente (DEL) violette conventionnelle, réalisée dans des conditions de croissance comparables. Elle comprend l'empilement de couches suivant, en partant du substrat 7 en saphir : une couche inférieure 5 de 4,5 μιτι d'épaisseur en GaN dopé Si, un empilement électroluminescent 2 formé de 5 puits quantiques ln ₀ ,iGa _0,.9 N (1 .2 nm) / GaN (10 nm), une couche supérieure (en fait, une structure multicouches) 1 comprenant 20 nm d'épaisseur de AI _{0. 4} Ga ₀ .86N : Mg et 235 nm de GaN : Mg. On constate que la caractéristique courant-tension du prototype n'est pas dégradée. De manière surprenante, cette caractéristique est même meilleure que celle de la DEL de référence. Ceci indique que le convertisseur n'ajoute pas une résistance significative au passage du courant.

Les résultats expérimentaux des figures 9 et 10 concernent des dispositifs qui ne relèvent pas de l'invention ; toutefois, ils peuvent être extrapolés au cas d'un dispositif selon l'invention, du type illustré sur la figure 8.

En faisant varier l'épaisseur et la composition des puits quantiques du convertisseur 4 (respectivement : la composition et la taille des boîtes quantiques) on peut obtenir une émission fluorescente couvrant tout le spectre visible : bleu (470 nm), vert (530 nm), orange (590 nm) et rouge (650 nm). Cela est illustré sur la figure 1 1 . La combinaison de ces couleurs permet en principe d'obtenir toutes les couleurs pures ou mélangées comme le blanc.