Optimisation du rendement électro-optique de LED à travers l’étude du procédé de fabrication

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Epitaxies LED

Choix de l’épitaxie

Avant d’étudier l’impact du procédé de matriçage d’une épitaxie sur les performances des LED, il convient de présenter les épitaxies utilisées. Différentes épitaxies commerciales ont été utilisées au cours de cette thèse. Suivant les fournisseurs, les épitaxies peuvent varier et présenter des performances différentes. De plus, nous avons observé qu’un même procédé de fabrication peut présenter des résultats très différents selon l’épitaxie utilisée. En d’autres termes, un procédé de fabrication doit être optimisé pour une épitaxie donnée. C’est pourquoi les études présentées dans ce manuscrit de thèse sont toutes réalisées avec des épitaxies du même fournisseur, sauf mention explicite du contraire. Ce sont des épitaxies permettant une émission dans le bleu, épitaxiées selon le plan de croissance c (0001), sur un substrat saphir plan, non PSS. Des épitaxies de diamètre 2’’ sont utilisées pour les premiers lots et 4’’ pour les derniers lots.
Le choix de ce fournisseur d’épitaxies est motivé par plusieurs raisons. Tout d’abord nous avons choisi de ne pas utiliser d’épitaxies avec substrat PSS. Comme nous l’avons vu au chapitre 1, ces structures permettent d’améliorer le rendement des LED, mais elles présentent un défaut majeur qui sera présenté plus en détail par la suite : les structures PSS induisent du cross-talk optique, et nuisent à la qualité de l’image. Pour l’utilisation dans le cadre de micro-écrans, cette technologie n’est donc pas adaptée. D’autre part, les épitaxies choisies présentent de bonnes performances optiques et une bonne reproductibilité des résultats d’un wafer à l’autre.
La structuré épitaxiée est présentée schématiquement ci-dessous (figure II-1). La première couche épitaxiée sur le saphir est le GaN non intentionnellement dopé (nid) sur 1 μm puis le N-GaN sur une épaisseur de 4 μm. Le dopage, obtenu par incorporation de silicium est de ?=3.1018 at.cm3. Ensuite, une couche d’InGaN à taux d’indium constant est épitaxiée sur 100 nm. Cette couche, que nous appellerons couche de relaxation (CR), permet d’adapter le paramètre de maille afin que le désaccord de maille entre le Gan et l’InGaN dans la zone active soit moins prononcé. Ceci permet de limiter les effets néfastes de dislocations et de polarisation piézoélectrique présentés au chapitre  puits en InGaN de 3 nm d’épaisseur entourés de barrières de GaN de 12 nm d’épaisseur. Enfin, le GaNP, dopé avec du magnésium, est épitaxié sur 150 nm. Le dopage obtenu est ? = 5. 1017at. cm3.
Figure II-1 : représentation schématique d’une épitaxie 2’’ utilisée au cours de la thèse
Nous souhaitons à présent caractériser les propriétés de cette épitaxie (longueur d’onde d’émission, rendement quantique interne, coefficient de recombinaison bimoléculaire, homogénéité
d’émission et taux de dislocation).

Etude de l’épitaxie utilisée

Spectre d’émission de photoluminescence

La figure II-2 présente un spectre d’intensité de PL obtenus à 10 K sur notre épitaxie. Le laser d’excitation émet à 375 nm. Le GaN est transparent à cette longueur d’onde puisque son gap est à
360 nm.
L’ajustement réalisé donne ? = 4.9 ??, et par conséquence, d’après la formule (II.3), le coefficient de recombinaison bimoléculaire est estimé à : ? = 1. 10−11 ??3. ?−1.
Cette valeur obtenue est en accord avec les valeurs rapportées dans la littérature, typiquement
comprises entre 10-10 et 10-12 cm3.s-1 [6] [7] [8] [9], et indique une bonne qualité optique de la région à puits quantiques.

Homogénéité d’émission

L’homogénéité d’émission des puits quantiques est ensuite caractérisée par photoluminescence. Pour cela, une cartographie de PL sur une zone de 400×400 μm² est réalisée. Les signaux d’intensité de PL et de longueur d’onde, ainsi que les histogrammes associés sont présentés ci-dessous (figure II-4).
Malgré quelques défauts, l’intensité de PL est relativement homogène. La longueur d’onde d’émission est elle aussi homogène. Sa dispersion suit une loi normale et donne : ? = 435 ?? ± 1 ??. La différence de longueur d’onde observée par rapport à la figure II-2 peut s’expliquer par la caractérisation d’une zone différente du wafer. Le tracé de l’intensité de PL en fonction de la longueur d’onde (figure II-5) permet d’observer qu’il n’y a pas de corrélation apparente entre ces deux paramètres. Ainsi, la variation de longueur d’onde sur l’épitaxie est sans conséquence sur la qualité des puits.

Taux de dislocations

Le taux de dislocations de l’épitaxie peut être estimé par des mesures de cathodoluminescence (CL). La CL est l’émission de lumière par un solide soumis à un bombardement électronique. C’est une méthode spectroscopique qui permet d’identifier des défauts ponctuels et des impuretés responsables des propriétés de luminescence d’un matériau.
Une zone de 10×10 μm² de la région N-GaN est scannée et l’émission du GaN, à 360 nm, est présentée figure II-6. Une dislocation est un centre de recombinaison non-radiative et apparait donc comme un point noir sur l’image de cathodoluminescence.
II. Optimisation du rendement électro-optique de LED à travers l’étude du procédé de fabrication Précisons qu’une telle mesure sur du P-GaN ne nous a pas permis de visualiser les dislocations. Deux hypothèses sont formulées pour expliquer cette observation. Une relaxation des contraintes au niveau de la couche de relaxation riche en indium (figure II-1) peut permettre de supprimer les dislocations [10]. D’autre part, il a été montré que la gravure du GaN permet de dévoiler les dislocations [11].
Figure II-6 : cartographie de l’intensité du signal de cathodoluminescence à 360 nm
Environ 200 dislocations sont comptées sur une surface de 100 μm², soit une densité de dislocations de l’ordre de 2.108 cm-2. Ce résultat est en accord avec les valeurs typiques obtenues dans la littérature [12][13] proches de l’état de l’art. D’après la littérature, le taux de dislocation joue un rôle important sur le rendement des LED [14] [15] [16], à travers notamment une diminution de la longueur de diffusion des porteurs [17].
En conclusion, les épitaxies utilisées au cours de cette thèse présentent de bonnes qualités optiques, une émission à 440 nm, une faible densité de dislocations et une bonne homogénéité d’émission. La prochaine étape consiste désormais à matricer cette épitaxie afin d’obtenir un réseau de LED dans lequel chaque diode constituera un pixel de l’image.
Dans la suite de ce chapitre, le procédé de fabrication développé au CEA LETI sera présenté, ainsi que les principales améliorations apportées et les conséquences sur les caractéristiques électro-optiques des LED.

Présentation du procédé de matriçage et des moyens de caractérisation

Principales étapes du procédé de fabrication Généralités sur le procédé utilisé

Le procédé que nous allons présenter ici consiste en un résumé des principales étapes permettant de réaliser un réseau de micro-LED (μLED). Les détails technologiques pertinents pour la suite de ce manuscrit seront présentés. Toutes les étapes technologiques ne sont pas décrites, et certaines simplifications sont effectuées pour en favoriser la compréhension.
Le procédé de fabrication a pour objectif de réaliser un réseau de μLED permettant son hybridation sur un circuit CMOS afin d’obtenir un écran à matrice active. Nous retrouvons les deux objets essentiels nécessaires à la fabrication d’un écran présentés au chapitre 1 : la couche électro-optique et le circuit d’adressage. Dans le cadre de cette thèse, la couche électro-optique, constituée d’un réseau de LED, sera étudiée. Deux types de LED sont réalisés à l’aide du même procédé : des matrices de μLED à un pas de 10 μm, et des diodes unitaires, non-matricées, de différentes tailles variant de 500Χ500 μm² à 5Χ5 μm².
Les matrices de μLED servent à la fabrication de micro-écrans. Les diodes unitaires sont dédiées à l’étude des effets de taille. Dans les deux cas, le procédé de fabrication est le même. C’est un procédé auto-aligné avec trois niveaux de lithographie que nous appellerons MESA (formation des pixels), CTD (pour ConTact Diode) et MET (pour METallisation), qui seront présentés au paragraphe suivant.
Précisons ici que l’objectif de cette thèse n’est pas d’optimiser les briques technologiques des différentes étapes du procédé de fabrication, mais d’étudier le lien entre les caractéristiques des LED et les étapes de fabrication. Ainsi ce chapitre n’a pas pour vocation de présenter toutes les études et améliorations du procédé de fabrication apportées au cours de la thèse. Pour cela le lecteur pourra se référer aux publications [18] et [19].
Les différents lots qui seront présentés dans ce manuscrit de thèse ont été fabriqués par l’équipe en charge du procédé de fabrication et ne constituent donc pas mon travail de thèse. Seuls seront présentés ici les changements de procédé qui ont fait suite à mes observations, études ou analyses, et qui, participant à la compréhension du fonctionnement des LED, permettent in fine l’amélioration du procédé de fabrication. Métallisation P et formation de mesas auto-alignés
La première étape consiste à déposer un métal de contact P par évaporation. Ensuite, ce métal P est gravé par IBE (Ion Beam Etching) et le GaN par gravure sèche chlorée en RIE (Reactive Ion Etching), l’ensemble à l’aide du premier niveau de lithographie MESA. Précisons ici que le métal P, opaque, fait office de masque dur pour les gravures et occupe toute la surface du pixel (figure II-7). Par conséquent, la lumière est émise par le saphir et la métallisation P joue donc plusieurs rôles. Elle doit assurer un contact ohmique, et une forte réflectivité pour augmenter l’extraction lumineuse par le saphir. Enfin, elle joue le rôle de masque dur, spécificité de la technologie du LETI dite auto-alignée. Elle doit pouvoir être déposée puis gravée sans dégrader le matériau pendant le reste du procédé de fabrication. Nous y consacrerons une étude dans la suite de ce chapitre. Des pixels sont ainsi formés, à un pas de 10 μm, le GaN étant gravé à 1 μm de profondeur environ pour atteindre la région dopée N.
Figure II-7 : création des pixels : a) schéma en coupe et b) observation MEB

Isolation et jonction PN

Un dépôt conforme isolant est ensuite déposé. Une gravure anisotrope permet de ne conserver l’isolant qu’autour des pixels. Ensuite le métal N est déposé puis planarisé par polissage mécano-chimique (CMP). La jonction PN est formée pour chacune des diodes (figure II-8). Dans la suite du manuscrit nous appellerons ‘espaceur’ l’isolant entourant chaque pixel et assurant l’isolation électrique entre les contacts N et P.
Figure II-8 : réalisation de matrice de LED : a) schéma en coupe et b) observation MEB
Un plan de masse N, sous forme de grille enterrée, est ainsi formé, entourant chaque pixel. C’est une cathode commune à tous les pixels.

Niveaux supérieurs

Afin de réaliser un écran, il est nécessaire de connecter la couche électro-optique (ici le réseau de micro-LED) au circuit d’adressage (circuit CMOS dans le cas des micro-écrans). Pour cela, des étapes technologiques supplémentaires sont nécessaires sur notre réseau de LED afin de réaliser des plots d’hybridation qui serviront à assurer la connexion avec le circuit CMOS. En effet, des micro-tubes sont réalisés sur le CMOS et seront insérés dans les plots d’hybridation. Deux niveaux de masque sont nécessaires, l’un pour définir la taille des plots d’hybridation (niveau MET) et l’autre pour connecter le plot d’hybridation au contact P de la diode (niveau CTD). Un schéma explicatif de la structure finale est présenté figure II-9, ainsi qu’une observation MEB mettant en évidence les niveaux supérieurs.
Figure II-9 : structure finale du réseau de micro-LED réalisé : a) schéma en coupe et b) observation MEB
La structure finale de la matrice de μLED vue en coupe est présentée ci-dessous (figure II-10). Figure II-10 : observation MEB en coupe d’un réseau de micro-LED en fin de fabrication Précisons enfin que les plots de contact N sont reportés en bord de matrice, séparés du réseau de LED par des pixels non connectés (absence de gravure CTD réalisant la jonction entre le contact P et le plot d’hybridation), appelés pixels fictifs figure II-11.
Un réseau de 873Χ500 μLED, pixellisées au pas de 10 μm, est ainsi réalisé. Chaque μLED constitue un pixel de l’image. Les diodes de tests unitaires sont réalisées avec le même procédé. Ainsi, les principales caractéristiques présentées ici sont communes aux réseaux de μLED et aux diodes unitaires (métal P occupant toute la surface du pixel, contact N enterré sous forme de cathode commune, espaceur entourant les LED assurant l’isolation électrique de la jonction, présence de plots d’hybridation, etc.).

Méthode de caractérisation des matrices de micro-LED

Les caractéristiques courant-tension-luminance (I-V-L) sont les principales mesures pour l’étude des LED. Dans le cas de notre procédé de fabrication, deux points importants sont à considérer. Tout d’abord, les dimensions des LED peuvent atteindre des dimensions de 5Χ5 μm² seulement. Pour caractériser de telles diodes, des micro-pointes commandées par des micro-contrôleurs sont nécessaires. D’autre part, la lumière est émise par le saphir et doit donc être collectée sur la face opposée des contacts électriques.
Le banc utilisé (figure II-12) est équipé de micro-contrôleurs piézo-électriques permettant un déplacement très précis des pointes de mesure. Une photodiode permet de collecter le signal émis à travers le saphir. Le SMU (Source and Measure Unit) est composé de deux voies. La première voie polarise la LED en tension et mesure le courant. La seconde polarise la photodiode en inverse, et mesure le courant la traversant (??ℎ). La réponse de la photodiode ?, exprimée en A/W, permet d’extraire la puissance optique (????) collectée en Watt : ????=??ℎ/?

Table des matières

Introduction générale
I Les matrices de micro-LED pour l’affichage
I.1 INTRODUCTION
I.2 LES ECRANS : TECHNIQUES, BESOINS ET APPLICATIONS
I.2.1 Etat de l’art des écrans
I.2.2 Les nouvelles applications et leurs besoins
I.2.3 Synthèse
I.3 LES DIODES ELECTROLUMINESCENTES
I.3.1 Physique des semi-conducteurs
I.3.2 Le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages
I.3.3 Performances et rendements d’une LED
I.4 APPLICATIONS DES LED
I.4.1 Les LED pour l’éclairage
I.4.2 Les écrans LED
I.5 PRESENTATION DE LA THESE
I.5.1 Spécificités des matrices de micro-LED
I.5.2 Les objectifs de thèse
I.5.3 Plan du manuscrit
I.6 CONCLUSION
I.7 REFERENCES
II Optimisation du rendement électro-optique de LED à travers l’étude du procédé de fabrication
II.1 INTRODUCTION
II.2 EPITAXIES LED
II.2.1 Choix de l’épitaxie
II.2.2 Etude de l’épitaxie utilisée
II.3 PRESENTATION DU PROCEDE DE MATRIÇAGE ET DES MOYENS DE CARACTERISATION
II.3.1 Principales étapes du procédé de fabrication
II.3.2 Méthode de caractérisation des matrices de micro-LED
II.3.3 Caractérisations du process initial : LOT 1
II.4 ETUDE DE L’HOMOGENEITE D’EMISSION
II.4.1 Observations de l’émission
II.4.2 Caractérisations de la zone dégradée
II.4.3 Amélioration process : LOT 2
II.5 ETUDE DE LA METALLISATION SUPERIEURE
II.5.1 Les différentes fonctions du métal P
II.5.2 Etude de l’ohmicité du contact P
II.5.3 Etude de la réflectivité du métal P
II.5.4 Amélioration process : LOT 3
II.6 CONCLUSION
II.7 REFERENCES
III Influence de la taille des LED sur leurs performances électro-optiques
III.1 INTRODUCTION
III.2 EFFETS DE LA TAILLE DES LED SUR LEUR PERFORMANCE
III.2.1 Etude bibliographique
III.2.2 Caractérisations électro-optiques
III.2.3 Etude de l’inhomogénéité d’émission sur le droop
III.2.4 Synthèse
III.3 MODELISATION ET SIMULATION
III.3.1 Le modèle ABC
III.3.2 Extraction des paramètres ?, ? et ?
III.3.3 Etude en fonction de la taille
III.3.4 Utilisation du nouveau modèle ABC
III.4 ETUDE DES BORDS DE PIXEL
III.4.1 Etude bibliographique
III.4.2 Luminescence en bord de pixel
III.4.3 Estimation de la largeur dégradée par l’étude du rendement
III.4.4 Etudes complémentaires en cathodoluminescence
III.4.5 Caractérisation IVL de diodes de même surface, au périmètre différent
III.5 ETUDE DES LED VERTES
III.5.1 Introduction
III.5.2 Caractérisations I-V-L
III.5.3 Etude des bords
III.5.4 Homogénéité d’émission
III.6 CONCLUSION
III.7 REFERENCES
IV Etude de micro-LED en matrice permettant la formation d’images
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 CARACTERISATIONS DE MICRO-LED EN MATRICE
IV.2.1 Comparaison de micro-LED unitaires et matricées
IV.2.2 Dispersion à l’échelle de l’écran
IV.2.3 Dispersion à l’échelle de l’épitaxie
IV.3 ETUDE DE LA DIAPHOTIE
IV.3.1 Définition et présentation
IV.3.2 Simulations optiques
IV.3.3 Modification du procédé de fabrication
IV.3.4 Caractérisations électro-optiques
IV.4 ETUDES ET CARACTERISATIONS DE MICRO-ECRANS LED
IV.4.1 Réalisation et fonctionnement de micro-écrans à matrice active
IV.4.2 Performances des micro-écrans LED
IV.5 CONCLUSION
IV.6 REFERENCES
Conclusion générale

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