Manuscrit de These - R.bailLOT

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Raphael Baillot. METHODOLOGIE DANALYSE DE DEFAILLANCE POURLEVALUATION DE LA FIABILITE DE DIODES ELECTROLUMINESCENTES GaN.Electronics. Universite Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2011. French.

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Universit Bordeaux 1

Les Sciences et les Technologies au service de lHomme et de lEnvironnement

N dordre : 4364

THSE

PRSENTE A

LUNIVERSIT DE BORDEAUX

COLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE LINGENIEUR

Par Raphal BAILLOT

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR SPCIALIT : Electronique

METHODOLOGIE DANALYSE DE DEFAILLANCE POUR LEVALUATION DE LA FIABILITE DE DIODES ELECTROLUMINESCENTES GAN

Directeur de recherche : Pr. Yves OUSTEN Co-directeur de recherche : Dr. Yannick DESHAYES

Soutenue le : 21 Novembre 2011

Aprs avis de :

M. SALVESTRINI, Jean-Paul Professeur, Universit de Lorraine Rapporteur

Mme THERIAS, Sandrine HDR, CNRS Aubire Rapporteur

Devant la commission dexamen forme de :

M. DEVAL, Yann Professeur, IPB Bordeaux Prsident du Jury M. SALVESTRINI, Jean-Paul Professeur, Universit de Lorraine Rapporteur

Mme THERIAS, Sandrine HDR, CNRS Aubire Rapporteur M. OUSTEN, Yves Professeur, Universit de Bordeaux Examinateur

M. BECHOU, Laurent Professeur, Universit de Bordeaux Examinateur M. DESHAYES, Yannick Matre de Confrences, Universit de Bordeaux Examinateur

M. GRANDJEAN, Nicolas Professeur, EPFL Lausanne Examinateur M. GASSE, Adrien Chef de projet, CEA-LETI - Grenoble Examinateur M. BATAILLOU, Benot Ingnieur, Philips Lighting Lyon Invit

A la mmoire de mon Pre

Franois Baillot (1952 1999)

"Most of the fundamental ideas of science are essentially simple, and may, as a rule, be

expressed in a language comprehensible to everyone."

Albert Einstein & Leopold Infeld The evolution of physics

"La plupart des ides fondamentales dans les sciences sont, dans leur essence, simples, et

peuvent, en rgle gnrale, tre exposes dans un langage accessible tous."

Albert Einstein & Lopold Infeld Lvolution des ides en physique

Remerciements

La ralisation de cette thse fut une vritable occasion de rencontrer et dchanger avec de

nombreuses personnes. Je ne saurais pas les citer toutes sans dpasser le nombre de pages

raisonnablement admis dans ce genre de travail. Je reconnais que chacune a, des degrs divers

mais avec une gale bienveillance, apport une contribution positive sa finalisation. Ma

reconnaissance sen trouve, de ce point de vue, entire leur gard.

Ce mmoire est le fruit dun travail ralis lUniversit de Bordeaux, au sein du Laboratoire de

lIntgration du Matriau au Systme (IMS CNRS UMR 5218) dirig par le Professeur P. Fouillat.

Je tiens le remercier pour mavoir accueilli dans son laboratoire ainsi que pour la confiance quil

ma tmoigne durant ces trois annes de recherche.

Que mon Directeur de thse, Pr Y. Ousten, trouve ici ma reconnaissance pour la confiance et

lautonomie quil ma accordes. Je le remercie galement pour son accueil, son soutien et ses

engagements constants tout au long de ma thse.

Je remercie particulirement mon Co-Directeur de thse, Dr Y. Deshayes. Je lui suis

reconnaissant de sa patience et de sa disponibilit dont il a fait preuve chaque tape de ma thse

pour discuter des aspects scientifiques et techniques du sujet, mais aussi, pour mavoir aid

rsoudre les difficults que j'ai rencontres. Ses remarques successives ont permis damliorer les

diffrentes versions de ce travail. Je lui adresse ma plus profonde reconnaissance pour sa rigueur

et sa dtermination scientifiques quil a su me transmettre au travers de ses qualits

pdagogiques.

Jadresse galement mes remerciements au Chef de lquipe EDMINA (Evaluation des

Dispositifs Micro et Nano Assembls), Pr L. Bchou, au sein de laquelle jai ralis ces travaux. Je le

remercie entirement pour sa confiance, son regard scientifique et la mise en uvre de moyens

ncessaires laboutissement de ma thse.

Un trs grand merci toute lquipe de chimistes de lInstitut des Sciences Molculaires (ISM

CNRS UMR 5255) de Bordeaux qui ont particip cette tude. En particulier, Dr I. Pianet (RMN 1H), C. Absalon (Spectromtrie de Masse), Dr T. Buffeteau (Analyse ATR et Mdaill dargent

CNRS 2011), O. Babot (DSC) et C. Belin (Analyse de Fluorescence). Jai t trs sensible leur

grande disponibilit, leurs analyses, leurs conseils et les nombreuses discussions scientifiques

changes durant ma thse.

De la mme manire, je remercie Dr A. Garcia et Dr T. Cardinal de lInstitut de Chimie de la

Matire Condense de Bordeaux (ICMCB CNRS UPR 9048) pour leur disponibilit, leurs conseils

et leur expertise en diffraction rayons X.

Je noublierai pas S. Destor, mcanicien au laboratoire IMS, grce qui jai pu raliser mes

mesures lectriques et optiques avec autant de prcision. La qualit de son travail, ma permis

dadapter plusieurs ttes de cryostat aux composants tudis dans ce mmoire. MERCI Serge !

Mes remerciements sadressent aussi mes collgues de travail, Gilles, Jad, Piero, Richard,

Warda pour leurs encouragements, leur bonne humeur et leur soutien.

Je pense galement ma formidable famille : Daniel, mon frre Sbastien et ses enfants

Aymerie et Nina, ma sur ane Ingrid, son mari Yann et leurs enfants Mathis et Carla, et ma

seconde sur Ida. Leurs encouragements et leur soutien sans conteste ont reprsent un apport

quotidien la ralisation de ce travail. Ils mont toujours donn lespoir daller de lavant. Jadresse

une pense trs particulire ma Mre, Brigitte, dont je suis trs fier ! Je te rends hommage ici

pour tout ce que tu as fait pour moi, pour notre famille, tu as toujours su nous montrer la voie pour

surmonter toute preuve.

Quil me soit permis dexprimer ici mes sincres remerciements Marc, mon meilleur ami. De

lui, jai toujours reu non seulement ses encouragements, mais aussi de prcieux conseils et un

soutien que peu dhommes, ayant des qualits humaines comme lui, peuvent tre amens

prodiguer.

Jai une pense trs tendre Anne-Sophie, mon amour depuis neuf ans. Ce travail te doit

beaucoup Quil soit pour toi le tmoignage de mon amour et de mon infinie reconnaissance pour

ces trois annes de comprhension, de privations et defforts communs. Ton soutien total et sans

faille, mme dans les moments dlicats, ma permis daller au bout de cette aventure ! Notre

amour restera ternel

A tous MERCI !

Sommaire

Introduction gnrale

Chapitre I Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN (4)

I Contexte conomique actuel ............................................................................................................................................. 5

I.1 March global des DELs ............................................................................................................................................... 5

I.2 Enjeux socitaux et march des DELs GaN pour lclairage public .......................................................... 7

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium ......................................................................................... 12

II.1 Les nitrures : de la structure wurtzite aux ingnieries de bandes ........................................................ 12

II.1.1 Structure wurtzite et proprits physiques des matriaux nitrures .......................................... 13

II.1.2 Ingnieries de bandes et structures de base ........................................................................................ 14

II.1.3 Substrats et dopants usuels pour le nitrure de gallium ................................................................... 16

II.2 Diodes lectroluminescentes base de GaN ................................................................................................. 18

II.2.1 Etat de lart des avances technologiques des DELs GaN "puce nue" ...................................... 18

II.2.2 Etat de lart des assemblages de DELs GaN ......................................................................................... 22

II.2.3 Structures des DELs GaN tudies............................................................................................................ 28

III Positionnement, justification et objectifs de la thse .................................................................................... 29

III.1 Positionnement et justification de la thse ..................................................................................................... 29

III.2 Objectifs de ltude ..................................................................................................................................................... 32

IV Conclusion ............................................................................................................................................................................. 35

Chapitre II Outils et mthodes d'analyse de DELs encapsules (36)

I Mthodologies de mesure de la temprature de jonction ............................................................................. 37

I.1 Mthode lectrique ...................................................................................................................................................... 38

I.1.1 Banc de mesures ................................................................................................................................................. 38

I.1.2 Principe de la mthode lectrique et modles associs ................................................................... 40

I.2 Mthode optique ........................................................................................................................................................... 42

I.3 Synthse de la mthodologie et des paramtres thermiques ................................................................. 43

II Mcanismes et modles lectriques dune DEL ................................................................................................. 44

II.1 Banc de mesures courant-tension I(V) .............................................................................................................. 44

II.2 Phnomnes de transport lectronique ........................................................................................................... 46

II.2.1 Modles lectriques dune DEL GaAs........................................................................................................ 46

II.2.2 Paramtres lectriques dune DEL GaAs ................................................................................................ 51

II.2.3 Modles lectriques dune DEL GaN ......................................................................................................... 52

II.2.4 Paramtres lectriques dune DEL GaN .................................................................................................. 56

III Mcanismes et modles optiques dune DEL ..................................................................................................... 57

III.1 Banc de mesures de puissance optique .......................................................................................................... 57

III.2 Modle de la puissance optique ........................................................................................................................... 58

III.2.1Principe de luminescence des matriaux semiconducteurs .......................................................... 59

III.2.2 Pertes par rflexion .......................................................................................................................................... 60

III.2.3 Pertes par absorption ..................................................................................................................................... 61

III.2.4 Puissance optique totale ................................................................................................................................ 62

III.3 Banc de mesures spectrales ................................................................................................................................ 63

III.4 Phnomnes de transitions lectroniques dune DEL DH ....................................................................... 65

III.4.1 Lmission spontane ...................................................................................................................................... 65

III.4.2 Le gain optique .................................................................................................................................................... 67

III.4.3 Leffet Stark .......................................................................................................................................................... 68

III.5 Paramtres optiques dune DEL DH .................................................................................................................. 69

III.6 Phnomnes de transitions lectroniques dune DEL MPQ ................................................................... 70

III.7 Paramtres optiques dune DEL MPQ .............................................................................................................. 72

IV Caractrisations physico-chimiques dune DEL ................................................................................................ 73

IV.1 Techniques de prparation dchantillon ........................................................................................................ 73

IV.1.1 Principe dune microsection ........................................................................................................................ 73

IV.1.2 Prparation dune DEL "puce nue" ............................................................................................................ 75

IV.2 Analyses nuclaires ................................................................................................................................................... 76

IV.2.1 Spectroscopie de masse dions secondaires ...................................................................................... 76

IV.2.2 Analyse par diffusion Rutherford ............................................................................................................... 78

IV.2.3 Rsonance Magntique Nuclaire Proton ............................................................................................ 79

IV.2.4 Spectromtrie de masse (MALDI TOF) .............................................................................................. 81

IV.3 Analyses lectroniques ............................................................................................................................................ 82

IV.3.1 Analyse par rayons X induits par faisceaux de particules .............................................................. 82

IV.3.2 Microscopie Electronique Balayage...................................................................................................... 83

IV.3.3 Spectroscopie lectronique rayons X .................................................................................................. 84

IV.4 Analyses optiques ...................................................................................................................................................... 86

IV.4.1 Rflexion Totale Attnue ............................................................................................................................. 86

IV.4.2 Spectroscopie Raman .................................................................................................................................... 87

IV.4.3 Spectre de fluorescence ............................................................................................................................... 88

IV.4.4 Diffraction rayons X ...................................................................................................................................... 89

IV.5 Analyse en temprature : Calorimtrie diffrentielle balayage ......................................................... 90

IV.6 Synthse des analyses physico-chimiques ..................................................................................................... 91

V Conclusion .............................................................................................................................................................................. 92

Chapitre III Mthodologie d'analyse de dfaillance de DELs pour applications

spatiales (94)

I Profil de mission spatiale ................................................................................................................................................. 95

I.1 Radiations dans lenvironnement spatial ............................................................................................................ 95

I.2 La mission "COROT" ..................................................................................................................................................... 97

I.3 Contraintes environnementales et facteur dacclration ........................................................................ 98

II Campagnes de vieillissement : cahier des charges et analyses associes ......................................... 99

II.1 Cahier des charges des vieillissements acclrs ....................................................................................... 99

II.2 Campagne de vieillissement ................................................................................................................................. 100

II.2.1 Banc de mesures lectriques et optiques : aspects mtrologiques........................................ 100

II.2.2 Analyses lectro-optiques : vrification des paramtres lectriques et optiques donns

par le fabricant ............................................................................................................................................................. 102

II.2.3 Analyses de la structure et des matriaux du composant encapsul .................................... 102

II.3 Synthse des campagnes de vieillissement engages ............................................................................ 103

III Caractrisations initiales des DELs : aspects lectriques et optiques ............................................. 104

III.1 Description technologique des DELs .............................................................................................................. 104

III.1.1 DELs Double Htrostructure (DH) AlGaAs/GaAs .................................................................... 104

III.1.2 DELs Multi Puits Quantiques (MPQ) InxGa

1-xN/GaN .................................................................... 105

III.1.3 Structure du boitier dencapsulation ..................................................................................................... 106

III.2 Extraction des paramtres lectro-optiques des DELs .......................................................................... 108

III.2.1 Modles lectriques quivalents des DELs et valeurs typiques ................................................ 108

III.2.2 Modles optiques des DELs et valeurs typiques .............................................................................. 111

IV Application de la mthodologie sur les DELs faible puissance .......................................................... 119

IV.1 Impact des diffrents types de vieillissement et positionnement de ltude ............................... 119

IV.1.1 Impact des radiations sur la puissance optique des DELs GaAs et GaN............................. 119

IV.1.2 Impact des vieillissements thermiques sur la puissance optique des DELs GaAs et GaN

.............................................................................................................................................................................................. 120

IV.1.3 Synthse de limpact des vieillissements sur la puissance optique de DELs GaAs et GaN

et positionnement de ltude .................................................................................................................................. 122

IV.2 Application de la mthodologie ......................................................................................................................... 122

IV.2.1 DELs DH AlGaAs/GaAs .............................................................................................................................. 122

IV.2.2 DELs MPQ InGaN/GaN............................................................................................................................... 127

V Synthse des rsultats et conclusion .................................................................................................................. 136

Chapitre IV Intgration de la mthodologie ds la conception d'un composant

(140)

I Profil de mission pour lclairage public ................................................................................................................ 141

I.1 Contexte et objectifs du projet ............................................................................................................................. 142

I.2 Exigences et contraintes environnementales dans lclairage public ............................................... 143

I.3 Technologies tudies ............................................................................................................................................. 145

II Campagne de vieillissements et description des composants ................................................................ 145

II.1 Cahier des charges de la campagne de vieillissements ......................................................................... 145

II.2 Description technologique des DELs ............................................................................................................... 147

II.2.1 DELs de puissance structure MPQ InGaN/GaN .......................................................................... 147

II.2.2 Structure et procds dassemblage ..................................................................................................... 148

III Analyses physiques de dfaillance ......................................................................................................................... 149

III.1 Localisation des zones dgrades : signatures de dfaillance lectro-optiques et thermiques

................................................................................................................................................................................................... 149

III.1.1 Signatures optiques et thermiques des DELs sans luminophore ............................................ 151

III.1.2 Signatures optiques et thermiques des DELs avec luminophore ............................................ 153

III.2 Validation des mcanismes de dfaillance par lexploitation des analyses physico-chimiques

................................................................................................................................................................................................... 161

III.2.1 Analyse de fluorescence de lhuile silicone sans luminophore ................................................... 161

III.2.2 Analyse de fluorescence et diffraction X de lhuile silicone avec luminophore ................... 166

III.3 Solutions technologiques ...................................................................................................................................... 171

IV Synthse des rsultats et conclusion ................................................................................................................. 172

Conclusion gnrale (174)

Rfrences bibliographiques (180)

Introduction gnrale

1 Introduction gnrale

Lvolution technologique des composants optolectroniques metteurs de type Diodes

ElectroLuminescentes (DELs), plus particulirement pour des applications lies lclairage, impose

le challenge dassocier laugmentation de la puissance optique un volume millimtrique et une

fiabilit de plus en plus leve, tout en rduisant les cots de fabrication. Les standards de

lclairage public imposent aujourdhui une dure de vie suprieure 50000 h.

Cependant, les diffrentes phases de llaboration de ces composants doivent rpondre

plusieurs critres : minimisation de la concentration de dfauts dans les matriaux de la puce,

matrise de la qualit des interfaces entre les diffrentes couches pitaxies, et de la qualit de

surface pour une mission optimale de la lumire. Les procds dassemblage doivent donc tre

raliss partir de matriaux performants en terme de dissipation thermique, et autoriser la

conception dun dispositif capable la fois daugmenter significativement lextraction de lumire et

de protger la puce mettrice contre les agressions extrieures (temprature, vibrations, pollution

chimique, etc).

De manire gnrale, le mode de dfaillance majeur caractrisant une DEL rside dans la

dgradation graduelle de la puissance optique aprs vieillissement. La mise en vidence du

mcanisme de dfaillance, lorigine de cette dgradation, requiert la mise en uvre de moyens

danalyses physiques pouvant savrer relativement longs et coteux. Une dmarche

complmentaire consiste estimer le comportement sous la forme dun modle lectro-optique

quivalent en rgime statique. Les paramtres de ce modle sont alors dpendants de la

technologie et leur volution traduit une drive comportementale lectrique et/ou optique.

La complexit dun composant optolectronique de type DEL, relative aux multiples procds de

fabrication de la puce utiliss et/ou aux diffrentes phases dassemblage, rend encore plus difficile

la mise en vidence de llment responsable de la drive de puissance optique.

Les standards de qualification actuellement exigs ne peuvent pas tre assurs par les

techniques habituelles de slection des produits finis, ni dmontrs par les essais acclrs visant

valuer la dure de vie moyenne (MTTF). En effet, mme en acceptant seulement deux

dfaillances sur un essai classique de 1000 heures avec un facteur d'acclration de 300 400,

plusieurs centaines voire plusieurs milliers de composants sont ncessaires la composition

d'chantillons de test. Dans lclairage public, les standards de qualification de type JEITA ou MIL

imposent dailleurs un minimum de composants slevant de 3: 1:: selon le type de

vieillissement appliqu. Concernant la dfaillance proprement dite, il existe des mthodes d'analyses

non-destructives ncessitant peu ou pas de prparation des chantillons : la thermographie

infrarouge pour une cartographie de dissipation thermique dun composant, limagerie thermique

par reflectomtrie laser dun composant, la caractristique courant-tension du composant missif,

l'analyse spectrale de la lumire mise travers la lentille optique, ou encore l'analyse de la

puissance optique de sortie.

Les techniques d'analyses lectro-optiques, regroupant les caractristiques courant-tension I(V),

les caractristiques spectrales L(E) et de puissance optique P(I), sont couramment utilises dans

l'industrie. Cependant, la richesse des informations contenues dans ces dernires est souvent peu

exploite, voire matrise. En gnral, le problme essentiel rside dans une interprtation des

rsultats obtenus qui font souvent appel aux mcanismes de dfaillance ou la connaissance

prcise de la technologie et de larchitecture du composant et de son assemblage. Les systmes

de mesure sont alors utiliss de manire systmatique permettant une vrification de

fonctionnement de type "Go/No Go".

Introduction gnrale 2

Le travail, men dans le cadre de cette thse, sattache donc considrer le composant

optolectronique comme une entit attache une double dfinition :

Une dfinition physique base sur une modlisation partir des quations complexes

rgissant sa fonctionnalit lie la technologie ;

Une dfinition oriente "systme", plus souple dutilisation, base sur des modles

simplifis avec un jeu de paramtres beaucoup plus restreints prenant en compte

linteraction entre le composant et son environnement ;

Notre tude, privilgiant la deuxime dfinition, sappuie sur une mthodologie danalyse de

dfaillance capable dextraire le (ou les) mcanisme(s) de dfaillance responsable(s) de la

dgradation du composant. Cette mthodologie sappuie sur une demande croissante des

fabricants de DELs assembles, et permet de rpondre des besoins en termes de

caractrisations et daide la prvision de la fiabilit en donnant des indicateurs de dfaillance

permettant de rvler les phnomnes physiques de la dgradation induite par les contraintes

environnementales. Ces besoins ncessitent donc une mthodologie rapide, fiable, utilisant un

nombre limit dchantillons et dinformations sur le composant tudi. Ces dernires sont des

paramtres fournis par les documentations techniques des fabricants ou un ensemble de

grandeurs aisment mesurables. Lobjectif de cette mthodologie est donc triple :

Identifier toutes les informations relatives aux matriaux constituant le composant et

son assemblage via lensemble des informations donnes par le constructeur et un

ensemble danalyses physico-chimiques pouvant parfois ncessiter une prparation

dchantillon. Cette phase permettra de modliser le composant des points de vue

lectro-optiques et thermiques afin den extraire des paramtres physiques qui

permettront de rpondre au deuxime objectif de cette mthodologie ;

Pr-localiser les zones dgrades en utilisant des caractrisations lectro-optiques et

thermiques permettant dextraire des signatures de dfaillances lectriques, optiques et

thermiques. Ces dernires servent dindicateurs pour localiser les parties de la puce ou

de son assemblage dfaillantes ;

Confirmer ces zones de dgradation partir danalyses physico-chimiques appropries

aux matriaux caractriser et lchelle des informations extraire ;

Cette tude sattache donc dmontrer que la mthodologie mise en place dans le cadre de

ces travaux de thse est transposable la fois aux diffrentes phases de conception dun

composant, mais galement diffrents types de composants assembls.

3 Introduction gnrale

C'est dans ce contexte que ces travaux de thse se sont drouls au Laboratoire de lIntgration

du Matriau au Systme (IMS) en s'articulant autour de quatre chapitres :

Le premier chapitre introduit ces travaux de thse par un tat de l'art du march des

DELs et des diffrentes technologies base de GaN. Nous poursuivrons en situant le

contexte conomique et les technologies tudies dans ce mmoire. Lensemble de ces

lments permettra de justifier notre tude par rapport aux acteurs nationaux et

internationaux du domaine ;

Le chapitre II rappelle les principes physiques mis en jeu dans les technologies GaAs et

GaN en reliant les phnomnes de transport et de transitions lectroniques aux

paramtres fonctionnels du composant. Ces derniers permettent la mise en place de

modles physiques quivalents du composant partir d'analyses ralises sur le

systme complet et en tenant compte des rsultats issus de la littrature. Un rappel du

principe de chaque analyse physico-chimique est galement prsent. Nous

accentuerons notre prsentation sur le type de matriaux analysables mais galement

sur la rsolution de ces analyses. Une classification des analyses physico-chimiques sera

donc propose, lissue du chapitre, afin de renforcer le lien important entre une zone

suppose dgrade et les moyens danalyse appropris ;

La mise en place de la mthodologie sur des DELs GaAs et GaN de faible puissance (<

3: mW) constituera lobjet principal du chapitre III. Ltude des DELs GaAs permettra de

montrer limpact de la lumire mise par la puce sur lassemblage. Ainsi, nous

appliquerons la mthodologie sur des composants dj commercialiss et choisis pour

des applications spatiales (CNES). Ce chapitre montre donc ladaptation de la

mthodologie la construction de la fiabilit dite "oprationnelle" ;

Enfin le quatrime et dernier chapitre prsente une tude, mene en collaboration avec

lassembleur (CEA-LETI), en vue de l'valuation du mcanisme de dfaillance impliqu

dans le jaunissement de la lumire blanche de DELs de puissance utilises dans

lclairage public. Lobjectif de ce chapitre est de dmontrer que la mthodologie peut

galement sintgrer ds la conception dun composant (fiabilit dite "construite"). Cette

thmatique entre en accord avec la mthodologie de construction de la fiabilit dfinie

par lquipe de recherche EDMINA (Evaluation des Dispositifs Micro et Nano Assembls)

au sein de laquelle ces travaux de thse ont t raliss ;

Chapitre I

Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

Lincroyable progression des technologies GaN pour la fabrication de composants

optolectroniques dans de multiples domaines dapplications (mdical, nergie et techniques

dinformations et de la communication) a conduit un essor considrable du march des Diodes

ElectroLuminescentes (DELs). Depuis les annes 2000, la proccupation de notre socit

lenvironnement et plus particulirement la rduction de la consommation lectrique a conduit au

trs fort dveloppement du domaine de lclairage public. La DEL base de GaN a donc pntr ce

march jusqualors matris par les gants de lclairage lampes fluorescentes et

incandescentes. Ceci conduit un remplacement progressif de ces lampes par des technologies

de lampes DELs. La miniaturisation des dispositifs dclairage DELs et laugmentation de leurs

performances (> 150 lm/W) conduisent une augmentation de la densit de puissance. Ceci a

entran une recrudescence de challenges relever en termes dcoulement thermique et de

dure de vie.

Lvolution croissante de la complexit des technologies base de Nitrure de Gallium (GaN) ainsi

que la miniaturisation des technologies dassemblage rendent difficiles lanalyse de dfaillance. La

consquence directe est que la fiabilit de ces systmes est de plus en plus difficile estimer. De

nombreux fabricants se basent sur une projection mathmatique exponentielle pour valuer des

dures de vies suprieures 5:::: h. Or, la plupart dentre eux se basent sur le retour

dexprience des lampes incandescence [1]. Actuellement les lampes DELs sont encore de

luminances trop faibles et leur couleur drive lgrement vers le bleu. Cette diffrence avec les

lampes classiques conduit un quilibre du march. Pour les fabricants de lampes DELs, ltude

de la fiabilit, et plus spcifiquement de lanalyse physique de dfaillance, est trs critique et devient

un argument de vente aussi important que la rduction de la consommation dnergie.

5 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

Nous laborerons, dans ce chapitre, le contexte conomique dans lequel se situent ces travaux

de thse en positionnant les enjeux et challenges du march des DELs technologie GaN. A lissue

de cette premire partie, nous dfinirons les objectifs de notre tude. Par la suite, nous

dvelopperons ltat de lart des technologies GaN. On prcisera les proprits physiques des

matriaux nitrures, les structures associes aux composants et larchitecture des assemblages

pour les DELs faibles et fortes puissances optiques. Pour terminer, nous situerons la position

internationale et nationale de ces travaux de thse ainsi que sa localisation dans les objectifs et

concepts des travaux de lquipe de recherche EDMINA dans laquelle ont t ralises les tudes

prsentes dans ce mmoire.

I Contexte conomique actuel

Les diodes lectroluminescentes sont des transducteurs lectro-optiques permettant, de nos

jours, denvisager des applications relativement varies. Les diffrents domaines adresss par les

DELs sont le mdical, lnergie et les Technologies de lInformation et de la Communication (TIC).

Les technologies utilises actuellement pour les DELs couvrent la bande de longueur donde

dmission allant de lultraviolet (35: nm) linfrarouge (2::: nm). Cette bande de longueur

donde permet donc de rpondre de nombreux besoins socitaux.

Le fort dveloppement de la technologie GaN durant ces 15 dernires annes a permis

denvisager des applications utilisant la bande ultraviolet-visible. Nous dvelopperons plus

spcifiquement les applications associes au domaine du visible. Le march associ cette

technologie relativement jeune est donc naissant. Cette partie brosse un tableau du march des

DELs GaN, et plus particulirement des technologies les plus rpandues sur ce march. Ce

contexte conomique permettra de mieux situer les objectifs scientifiques de notre tude.

I.1 March global des DELs

Le march global des DELs connait un essor considrable depuis la fin des annes 1990. Il est

dirig par une demande croissante de DELs de plus en plus fiables avec une augmentation des

volumes de production pour les secteurs de lclairage DELs des crans de tlvisions (rtro-

clairage TV), ordinateurs portables, tlphones mobiles et luminaires. La focalisation, lchelle

mondiale, de la rduction de la consommation dnergie prsage un avenir florissant des DELs, en

particulier dans les secteurs de lclairage de btiments rsidentiels (particuliers) et commerciaux

(professionnels). En 2010, il a dpass le seuil des 10 milliards de dollars amricains (USD) [2, 3].

Avec une croissance annuelle globale de 13,6 % de 2001 2012, ce march devrait atteindre un

chiffre record de 14,8 milliards USD dici 2:15 [4]. La figure l - 1 montre lvolution du march

global des DELs de 2001 2012 [5].

I Contexte conomique actuel 6

Figure l - 1 Evolution du march global des DELs de 2001 2012

De 2001 aujourdhui, la croissance du march est value 78 % pour une augmentation

moyenne de 13,9 % par an. On observe trois paliers de croissance :

De 2001 2004, une croissance annuelle de 20 % ;

De 2004 2006, priode correspondante un contexte conomique mondial peu

favorable (croissance annuelle abaisse 7 %) ;

Une reprise du march partir de 2006 avec une croissance annuelle moyenne

denviron 13 % ;

Les grands acteurs de lindustrie des DELs sont prsents dans six puissances conomiques :

LEurope, le Japon, la Core, Taiwan, la Chine et les Etats-Unis. La figure l - 2 prsente la rpartition

des recettes du march des DELs entre ces diffrentes puissances conomiques pour les annes

2009 et 2010 [6].

Figure l - 2 Rpartition des recettes des 6 principaux pays acteurs du march des DELs : (a) 2009, (b) 2010

Si le Japon reprsente une part importante du march global des DELs, cest parce quil dtient

deux des plus importants fournisseurs du march : Nichia et Toyoda Gosei [4]. De 2007

aujourdhui, Nichia est toujours rest au premier rang parmi les dix plus gros fournisseurs de DELs.

Le tableau l - 1 indique le top 1: des fournisseurs prsents sur le march global des DELs daprs

lanalyste de march J. Hsu [3].

Europe14%

Japon33%

Core15%

Taiwan

17%

Chine11%

Etats-Unis10%

Recettes 2009 8 milliards de dollars US

Europe12%

Japon27%

Core

23%

Taiwan18%

Chine10%

Etats-Unis10%

Recettes 2010 10 milliards de dollars US

(a) (b)

7 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

Rang 2007 2008 2009 2010

1 Nichia 24.0 % Nichia 19.0 % Nichia 16.0 % Nichia 15.0 % 2 Osram 10.5 % Osram 11.0 % Osram 10.0 % Samsung 10.0 %

3 Lumileds 6.5 % Lumileds 7.0 % Samsung 6.5 % Osram 9.0 % 4 Seoul S. 5.0 % Seoul S. 5.5 % Lumileds 6.0 % Seoul S. 7.5 %

5 Citizen 5.0 % Everlight 4.0 % Cree 5.5 % Cree 6.0 %

6 Everlight 4.5 % Citizen 4.0 % Seoul S. 5.5 % Lumileds 5.5 % 7 Stanley E. 3.5 % Cree 4.0 % Everlight 4.5 % Sharp 5.5 %

8 Kingbright 3.5 % Stanley E. 3.0 % Stanley E. 4.5 % LG Inno. 4.5 % 9 Avago 3.5 % Kingbright 3.0 % Lite-ON 3.5 % Everlight 4.0 %

10 Toshiba 3.5 % Avago 3.0 % Citizen 3.0 % Stanley E. 3.5 %

Autres 30.5 % Autres 35.5 % Autres 35 % Autres 29 %

Total 100.0 % Total 100.0 % Total 100.0 % Total 100.0 %

Tableau l - 1 Top 10 des fournisseurs de DELs de 2007 2010 en fonction des parts de march (%)

Les compagnies Nichia et Toyoda Gosei (Japon), Philips lumileds, Cree (Etats-Unis), et Osram

(Europe) sont considrs comme les cinq acteurs majeurs du march des DELs, Toyoda Gosei

tant particulirement prsent sur le march des DELs GaN de puissance. Ces acteurs sont

principalement des fondeurs et maitrisent la totalit des tapes de fabrication dune puce. Pour les

applications dclairage intrieur/extrieur, de rtro-clairage des crans TV, tlphones mobiles,

tablettes tactiles ou encore ordinateurs portables, ils peuvent proposer aux utilisateurs finaux des

composants "prts lemploi". On reconnait galement la forte prsence dassembleurs provenant

de quatre des six puissances conomiques impliques dans ce march : Sharp, Toshiba, Citizen et

Stanley pour le Japon, Avago pour les Etats-Unis, Lite-ON, Everlight et Kingbright pour Taiwan, et LG,

Samsung LED et Seoul Semiconductor pour la Core.

Une telle croissance a eu pour consquence laugmentation de la taille des wafers pour la

production des puces GaN : 53 % en 2010 et 71 % en 2011. Ceci a conduit une explosion du

march de la production des puces par pitaxie en phase vapeur aux organomtalliques (MOCVD).

En consquence, 25 nouvelles entreprises se sont cres entre 2010 et 2011 [2]. On compte

aujourdhui plus de 75 fabricants de DELs dans le monde. La Chine, leader dans la fabrication

MOCVD depuis 2:1:, reprsente aujourdhui une des plus grandes zones de production. Elle

encourage notamment la Core et Taiwan implanter leurs zones de production dans le territoire

chinois [3].

I.2 Enjeux socitaux et march des DELs GaN pour lclairage public

Laugmentation de la population lchelle plantaire (> 9 milliards dici 2:5: contre 7 milliards

en 2011) et la prservation de plus en plus exigeante des patrimoines naturels, conduisent

aujourdhui un besoin trs net de rduction de la consommation dnergie [7]. Pour rpondre ce

besoin, de nouvelles solutions technologiques mergent dans de nombreux domaines, et en

particulier dans le domaine des DELs. Ces composants connaissent, depuis le dbut des annes

199:, un essor considrable principalement d lmergence de nouveaux marchs tel que celui

de lclairage public. Ce succs sexplique par la grande richesse des secteurs dans lesquels les

DELs jouent un rle. Lclairage public, les tlphones mobiles, la signalisation, les crans de

tlvision (rtro-clairage), lautomobile, ou encore la mdecine et le militaire (secteurs niches)

reprsentent la majeure partie des segments de march des DELs. La figure l - 3 indique la

rpartition du march en 2:1: selon les secteurs dactivits [3].

I Contexte conomique actuel 8

Figure l - 3 Rpartition du march des DELs en fonction des secteurs dactivits pour lanne 2:1:

Dans toutes ces applications, les technologies de DELs base de nitrure de gallium (GaN) sont

prpondrantes et dirigent le march. Ceci sexplique par la prdominance de ces technologies

dans les secteurs TVs, clairage public, automobile, tlphonie mobile, moniteurs et signalisation.

La figure l - 4 compare lvolution du march des DELs en fonction de leurs technologies

(GaAs/GaP, AlInGaP et GaN) de 2006 2010 [3].

Figure l - 4 Evolution du march des DELs en fonction des diffrentes technologies (GaAs/GaP, AlInGaP et

GaN) de 2006 2010

J. Hsu et al ont remarqu que la production de DELs GaN a augment de 76 % et que cette

technologie reprsente aujourdhui 81 % du march global des DELs [3].

Cette formidable croissance est la consquence denjeux tant conomiques

quenvironnementaux qui font grandir le march de lclairage. Le tableau l - 2 donne la feuille de

route de lAssociation pour le Dveloppement de lIndustrie Optolectronique (OIDA) qui prcise les

grands enjeux dans le domaine de lclairage DELs [8].

TVs32%

Moniteurs7%

Tlphones mobiles13%

DELs bandes troites (NBs)11%

Autres rtroclairages (BLU)8%

Automobile5%

Eclairage public14%

Signalisation5%

Autres (mdecine, militaire et autres)

5%

0

2

4

6

8

10

12

2006 2007 2008 2009 2010

Mill

iard

s d

e D

olla

rs U

S

GaAs/GaP

AlInGaP

GaN

9 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

Technologie DEL

(2002)

DEL

(2007)

DEL

(2012)

DEL

(2020)

Lampe

incandescente

Lampe

fluorescente

Rendement lumineux (lm/W) 25 75 150 200 16 85

Dure de vie (kh) 20 > 20 > 100 > 100 1 10

Flux (lm/lampe) 25 200 1000 1500 1200 3400

Puissance optique

(W/lampe) 1 2,7 6,7 7,5 75 40

Cot des lumens ($/klm) 200 20 < 5 < 2 0,4 1,5

Cot dune lampe ($/lampe) 5 4 < 5 < 3 0,5 5 Indice de rendement de

couleur (CRI) 75 80 < 80 < 80 95 75

Marchs de lclairage pntrs

Faibles

flux Incand. Fluor. Tous - -

Tableau l - 2 Feuille de route pour le march de lclairage et des DELs de puissance (OIDA)

Les grandes avances dans les technologies de DELs base de GaN ont conduit quatre enjeux

majeurs : la puissance optique, le rendement nergtique, la qualit de la lumire (CRI) et de plus

longues dures de vie (> 50000 h).

En gnral, une lampe DEL de 13 W met autant de lumire quune lampe incandescente de

100 W. Au Japon, lclairage reprsente 16 % de la consommation dlectricit. Daprs lInstitut

de lEconomie dEnergie du Japon (IEEJ), si toutes les lampes japonaises taient remplaces par un

clairage DELs, la consommation dlectricit au Japon serait rduite de 9 %. Le succs des

DELs pour lclairage public rside donc dans le fait quelles reprsentent une alternative "verte"

rpondant aux critres environnementaux (rduction de la consommation dnergie, technologies

sans mercure ni plomb). Malgr lexistence des tubes fluorescents ECO capables dconomiser 5:

% de lnergie consomme par un tube classique, Frost & Sullivan identifient lassurance de la

qualit un prix raisonnable comme un enjeu cl du march de lclairage DELs [9]. Les

directives dOIDA prvoient un cot dune lampe DELs infrieur 3 USD dici 2:2: pour une

puissance optique suprieure 7 W.

Les DELs GaN de puissance connaissent donc aujourdhui un essor associ celui du march

de lclairage public. La figure l - 5 prsente la pntration du march des DELs GaN de puissance

dans le march global de lclairage public [10].

Figure l - 5 Evolution des recettes du march global lclairage public et de leur taux de croissance de 2005

2017 segmente par type de lampes

Le cabinet dtudes de march Frost & Sullivan a rapport quaujourdhui (2:11) le march des

DELs GaN a pntr le secteur de lclairage public denviron 3 % (figure l - 5). La lgislation et la

rglementation dans lclairage public reprsentent un point critique pour lvolution de ce march

I Contexte conomique actuel 10 dans les dix annes venir. En effet, le march de lclairage public est un march quatre

vitesses localises et segmentes dans quatre rgions principales : lEurope, lAccord de Libre-

change Nord-Amricain (NAFTA : North American Free Trade Agreement) constitu des Etats-

Unis, du Canada et du Mexique, lAsie-Pacifique (APAC : Asia-Pacific) regroupant lExtrme-Orient, le

sous-continent Indien et l'Ocanie, et le reste du monde (ROW : Rest Of the World). La figure l - 6

schmatise les directives lgislatives de ces quatre regroupements pour le remplacement de

lclairage traditionnel par un clairage DELs [10].

Figure l - 6 Feuille de route lgislative de 2::8 2:2: pour le remplacement de lclairage traditionnel par

lclairage DELs

Malgr la rcente rcession conomique en 2009 (figure l - 5) impliquant un ralentissement

dans la consommation grand public, le march de lclairage DELs est amen avoir une

croissance considrable dans les dix prochaines annes. La figure l - 7 illustre cette prvision de

croissance en terme de recettes jusqu 2:17 [9].

Figure l - 7 (a) Evolution du march des DELs GaN de puissance (recettes et taux de croissance) pour

lclairage public de 2::7 2:17, (b) Recettes du march global de lclairage segment par type de

lampes

La domination des lampes fluorescentes dans lclairage est trs claire. Ceci sexplique par leur

cot trs nettement infrieur celui dune lampe DELs (:,5 $ pour un tube contre environ 5 $

pour une lampe DELs). Cependant, moyen terme, les exigences en terme de rendement

Europe

NAFTA

APAC

ROW

Exclusion des lampes incandescence

Exclusion graduelle des lampes de

classe nergtique C

Lampes de classe

nergtique > B

seulement

20102008 2009 2011 2012 2013 2014 2016

Remplacement graduel

des lampes

incandescence et

halognes

(PMAX = 40 W dici 2014)

En 2020, les lampes

devront atteindre

45 lm/W avec des

puissances optiques

70 % suprieures

celles de 2010

Exclusion de 70 % des

lampes incandescence

Exclusion totale

des lampes

incandescence

Chine, Philippines,

Malaisie et Australie

mmes objectifs que lAPAC

Exclusion des lampes incandescence en Argentine, Brsil et au Vnzula

Exclusion des lampes incandescence en Afrique du Sud

LAfrique du Sud rglemente la consommation dnergie par m2 sur tous

types de nouveaux btiments

(a) (b)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Recett

es d

u m

arc

h g

lob

al d

e l'

cla

ira

ge

(Mill

iard

s

)

Anne

Lampes fluorescentes (tubulaires et compactes)

Lampes incandescence

Lampes halognes

DELs

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Cro

issa

nce d

es r

ecett

es (

%)

Recett

es (M

illio

ns d

e D

olla

rs U

S)

Recettes du march

Croissance des recettes

11 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

nergtique des lampes rendent les lampes DELs plus prometteuses, en particulier grce

lamlioration constante de leur fiabilit (1000 h pour un tube fluorescent contre 25000 h

5:::: h pour une lampe DELs) et de leurs fonctionnalits (large ventail dapplications). Frost &

Sullivan estiment que dici 2:17, le march des DELs pour lclairage public aura pntr le

march global de lclairage public denviron 31 % (figure l - 7b) en 2017 avec une croissance

annuelle de 21,3 % de 2010 2017 (figure l - 7a) [9].

Les acteurs du march des DELs pour lclairage public sont regroups en trois tiers :

Philips, Nichia et Cree forment eux trois la moiti de la production mondiale ;

Dautres entreprises comme Osram, Havells-Sylvania et GE Lighting font partie du

second tiers de production ;

Le dernier tiers comprend essentiellement des compagnies rgionales comme

Megaman et Zumtobel (Europe), Illumisys (Etats-Unis) et dautres petites entreprises

principalement asiatiques ;

Le tableau l - 3 montre le classement des cinq premiers acteurs du march global de lclairage

public en 2:1: selon les rgions et le type de march (lampes et conomie dnergie) [10].

Rgion Type de march

Taille du

march

(Milliards )

Rang

1 2 3 4 5

Europe Lampes 3,00 Philips Osram GE Megaman Panasonic

ECO (control gear) 0,60 Panasonic Osram Philips Zumtobel Helvar

NAFTA Lampes 2,80 GE Osram Philips

Acuity

brands Panasonic

ECO (control gear) 1,00 Philips Universal

Lighting Osram GE

Acuity

brands

APAC Lampes 3,40 Philips Osram GE Panasonic NVC

ECO (control gear) 1,00 Philips Osram Panasonic Toshiba GE

ROW Lampes + ECO

(control gear) 2,0 Philips Osram GE Panasonic Zumtobel

Tableau l - 3 Top 5 des acteurs du march de lclairage public selon les rgions et le type de march en

2010

On retrouve la prsence des principaux fournisseurs de DELs GaN de puissance pour lclairage

public, comme Philips, GE, Osram, Megaman, Panasonic et Zumtobel. Le leader de la demande de

ce march est aujourdhui lEurope car les directives europennes environnementales encouragent

la rduction de la consommation dnergie en investissant dans le remplacement des lampes

incandescence et fluorescentes par des lampes DELs. Pour la mme raison, un autre rapport de

march indique les opportunits du march de lclairage DELs en Asie. Il pourrait atteindre 2,1

milliards USD dici 2:16 avec la Chine elle seule estime 42: millions USD [11]. Le Japon,

quant lui, est vu comme le plus important fournisseur de ce march. Dici 2:16, ses ventes

auront dpass le milliard USD. En effet, il rpond 41,3 % des demandes de DELs sur le march

asiatique et de nombreuses grandes entreprises tablissent leur sige social dans le territoire

japonais. En Core, les ventes devraient atteindre environ 23: millions USD dici lanne 2:16 [12].

Samsung et LG sont considrs comme le moteur de la Core dans le domaine des DELs pour

lclairage public.

La proccupation de notre socit lenvironnement et plus particulirement la rduction de la

consommation lectrique a donc conduit lmergence de nouveaux marchs des DELs GaN de

puissance pour lclairage public en Asie et dans le reste du monde (ROW).

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium 12

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium

Les technologies base de nitrure de gallium ont, en parti, rpondu un enjeu socital

relativement important : conomiser lnergie lectrique consomme par les lampes pour

lclairage public. Depuis le dbut des annes 2::: ces technologies ont donc connu un essor

considrable. Face lensemble de ces considrations, lvolution de la filire GaN a t importante

ces dix dernires annes. De nombreuses solutions technologiques ont t apportes afin

damliorer, la fois, lefficacit (en lm/W) de la DEL mais galement la qualit de lIndice de Rendu

de Couleur (IRC) de la lampe DEL. Ces diffrentes volutions du design de la DEL se sont produites

au niveau de la puce mais galement au niveau de lassemblage. En ce qui concerne la puce, cest

principalement lefficacit optique que les fondeurs ont amliore. Lassemblage de la DEL, pour sa

part, et plus largement du dispositif dclairage, doit rpondre un double critre : la qualit de lIRC

mais galement la dissipation thermique.

Ltat de lart, dcrit dans cette partie, permet donc de situer lensemble des volutions du

design des dispositifs DEL GaN. Nous soulignerons les points cls ncessaires pour lever les

verrous technologiques majeurs et ainsi rpondre aux diffrents besoins associs lenjeu socital

dcrit prcdemment.

II.1 Les nitrures : de la structure wurtzite aux ingnieries de bandes

Le nitrure de gallium (GaN) ainsi que les composs binaires associs InN et AlN, sont lorigine

du dveloppement de nombreuses technologies lectroniques et optolectroniques. En

lectronique, la vitesse de saturation des lectrons du GaN est relativement importante (2,5.107

cm/s) et favorise laugmentation de la frquence de transition de transistors haute mobilit

lectroniques (HEMT) AlGaN/GaN jusqu 3:: GHz. Dautres proprits du GaN, comme le champ

de claquage lev (> 5.106 V/cm) associ un faible taux dionisation par impact, permettent

dobtenir des puissances de sortie leves (10 W/mm @ 40 Ghz) [13]. La structure de bande

interdite directe est galement mise profit pour la ralisation de dispositifs optroniques, ce qui

autorise un spectre dmission qui stend de lUltra-Violet (UV) jusquau visible. Le matriau GaN

est le seul qui puisse prtendre des applications optolectroniques aux courtes longueurs donde

(< 500 nm). De nombreux composants optolectroniques, tels que les DELs, Diodes Laser ou

dtecteurs en environnement hostile Metal-Semiconducteur-Metal (MSM), sont dores et dj

disponibles, et constituent un axe fort de recherche.

La diffrence de rayon entre latome de gallium et dazote conduit une organisation du cristal

en structure Wurzite. Cette structure non centro-symtrique conduit lexistence dun champ

lectrique interne (> 5 MV.cm-1) [14]. Cette proprit particulire a t utilise dans tous les

domaines dapplications. On peut, par exemple, augmenter la vitesse des lectrons dans la

structure afin daugmenter la frquence de transition pour des applications lectroniques (HEMT).

Dans cette partie, nous proposerons de dcrire les principales structures utilises pour

laborer des DELs. Les proprits physiques du GaN Wurzite et des composs ternaires AlGaN et

InGaN seront tudies. Nous regarderons la croissance du GaN sur les substrats saphir, ainsi que

les proprits lectro-optiques et ingnieries de bandes des structures puits quantiques

InGaN/GaN.

13 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

II.1.1 Structure wurtzite et proprits physiques des matriaux nitrures

Trois types de structures cristallines existent dans les matriaux nitrures : la structure Wurtzite

(Wz), Zinc Blende (ZB) et Rock Salt (RS). Sous conditions ambiantes, la structure la plus

thermodynamiquement stable est la structure Wz pour les composs binaires AlN, GaN et InN

[15]. En revanche, la structure ZB est mtastable et ne peut tre principalement utilise que pour

des matriaux typologiquement compatibles tels que le GaN et lInN. De nombreuses tudes ont

montr que cette structure se stabilise par croissance htropitaxiale en films minces sur des

plans cristallins dorientation (011) de substrats cubiques tels que le Si [16], SiC [17], MgO [18] et

le GaAs [19]. La structure RS, plus rare, peut tre forme uniquement sous trs haute pression

atmosphrique allant de 12 52 GPa (120 520 kbar) selon les matriaux choisis (InN, AlN ou

GaN) [20-22]. Cette technique tant trop coteuse nest donc pas utilise par lindustrie et reste

uniquement une forme dexercice de laboratoire. Le tableau l - 4 prsente les valeurs des

paramtres lectriques et optiques principaux pour les composs GaN, AlGaN et InGaN les plus

utiliss dans les composants de type DELs [15, 23, 24].

Paramtres @ 300 K Wz GaN Wz AlxGa1-xN Wz InxGa1-xN

Eg (eV) 3,42 4 (x = 0,3 et b = 0,7 eV) 2,17 (x = 0,3 et b = 3,8 eV)

e (cm

2

.V-1

.s-1

) < 1000 35 300 850

h (cm

2

.V-1

.s-1

) < 200 9 < 15

Nc (cm

-3

) 2,3.1018

5.1018

1016

1017

Nv (cm

-3

) 4,6.1019

1,5.1019

5. 1018

Dn (cm

.s-1

) 25 - -

Dp (cm

.s-1

) 5 94 - -

9,5 - 10,9 n ~ 2,85 - 2,6 3

Tableau l - 4 Paramtres lectriques et optiques des matriaux GaN, AlGaN et InGaN structure wurtzite

Eg : gap du matriau,

e, h : mobilit des lectrons et des trous respectivement, NC, NV : densit

effective dtats dans la bande de conduction et de valence respectivement, DN, D

P : coefficient de

diffusion des lectrons et des trous respectivement, : constante dilectrique, n : indice optique et

b : paramtre de courbure des bandes. Les valeurs des mobilits, des concentrations ainsi que du

gap dpendent de la composition x de chaque compos. Le tableau l - 5 donne la dpendance en x

des paramtres de maille (a et c) et du gap pour les matriaux AlGaN et InGaN [25].

Matriau Paramtres de maille Energie du gap

Wz AlxGa

1-xN

0,0891x3,1986a Nx1

Gax

Al

x1xbGaN.Ex1AlNx.ExE AlGaNggg 0,2323x5,2262c N

x1Ga

xAl

Wz InxGa

1-xN

0,3862x3,1986a Nx1

Gax

In

x1xbGaN.Ex1InNx.ExE InGaNggg 0,574x5,2262c N

x1Ga

xIn

Tableau l - 5 Dpendance en x du paramtres de maille et du gap des matriaux AlGaN et InGaN

Les composs ternaires forms partir de matriaux Wz GaN, InN et AlN permettent dobtenir

une large gamme nergtique de gaps avec une faible variation des paramtres de maille. Ainsi, le

contrle de la composition x de ces composs permet de construire des htrostructures, puits

quantiques voire des super-rseaux donnant naissance des proprits lectro-optiques

intressantes pour des composants de types DELs et diodes lasers.

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium 14

II.1.2 Ingnieries de bandes et structures de base

Lingnierie de bande est une technique permettant la structuration de composants

lectroniques et optolectroniques. Usuellement, laxe horizontal est reprsent par la dimension x

et laxe vertical par lnergie des porteurs. Dans ce cas de figure, on sintresse au gap du matriau

et on regarde la variation des niveaux dnergie des bandes de valence et de conduction en fonction

de x. Cette reprsentation est trs commode pour comprendre le transport lectronique au sein

dune structure. Dans le cas de structures optolectroniques, les matriaux associs par pitaxie

sont de nature diffrente. Ce procd de fabrication se nomme htro-pitaxie et reprsente la

technique principale dlaboration des composants optolectroniques.

Lorsque lon veut comprendre les phnomnes optiques au sein dune mme structure, le

schma de bande dans lespace rel nest plus utilisable. En gnral, seul le matriau de la zone

active, zone dmission de lumire, est le fruit de transitions lectroniques. On utilise alors le

schma de bande en fonction du vecteur donde k sur une priode du rseau cristallin : la premire

zone de Brillouin. Cette reprsentation, plus proche des chimistes, permet de mettre en vidence

les bandes paraboliques et donc la forme de lmission spectrale dune DEL.

Le GaN est un matriau trs souvent utilis dans les zones actives de DELs. Son large gap de

3,42 eV permet dobtenir une luminescence dans la gamme bleu/UV. La figure l - 8 montre le

schma de bande de la structure sur la premire zone de Brillouin du GaN Wz [26].

Figure l - 8 Schma de bande du matriau GaN massif en structure Wz sur la premire zone de Brillouin

De nombreux matriaux comme le GaAs, lInP, le GaP ou encore le SiC ont leurs bandes de

conduction et de valence paraboliques dans la valle . La spcificit du GaN est que les bandes de

valence pour les trous lourds et trous lgers sont non paraboliques [26]. Nous verrons au chapitre

II comment les modles lectriques et optiques seront impacts par ce type de structure.

La plupart des techniques de croissance des matriaux III-V sous forme massive, de substrat

ainsi que leur orientation cristalline, ont fait lobjet de nombreux efforts pour une croissance des

matriaux nitrures en couches minces. En effet, les techniques dpitaxie en phase vapeur par la

mthode aux hydrures (HVPE), aux organomtalliques (OMVPE), et jet molculaire (EJM) ont

grandement amlior la qualit des couches de matriaux nitrures. Cependant, toutes ces

techniques dpitaxie doivent composer avec deux difficults majeures : le manque de substrats

GaN ltat naturel et la double difficult de lincorporation de lazote et du flux dammoniac (NH3)

particulirement lev (> 1: L/min) requis pour llaboration de semiconducteurs base de

matriaux nitrures contenant des atomes dindium comme lInGaN [15].

Un des inconvnients majeurs du GaN est quil nest pas disponible ltat naturel en grandes

quantits. Ceci est en partie d la faible solubilit (1 %) de lazote dans un cristal de gallium massif

et la pression leve de la vapeur dazote (1,6 GPa) en conditions de croissance (1500 C en phase

vapeur) [27]. Les meilleures alternatives pour rpondre ces problmes, rsident dans le

EG = 3,42 eV

EA = 4,7 5,5 eV EM-L = 4,5 5,3 eV

kxkz

0

Bande de trous lourds

Bande de trous lgers

Bande de conduction

Valle

15 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

dveloppement de substrats saphir, SiC ou Si possdant des paramtres de maille compatibles

celui du GaN.

La miniaturisation des composants a conduit des structures de plus en plus complexes.

Lorsque la dimension des semiconducteurs se rapproche de la longueur donde de De Broglie, les

proprits lectriques et optiques sen trouvent modifies et les matriaux deviennent plus

sensibles aux conditions extrieures (temprature, contraintes aux interfaces). La figure l - 9

reprsente une schmatisation des systmes utiliss dans les composants optolectroniques

daujourdhui pour rduire la dimension et modifier les proprits lectro-optiques [15].

Figure l - 9 Reprsentation schmatique des systmes dimensions diffrentes dans lespace rel

Lorsque lpaisseur dun puits au sein dune structure est comparable celle de la longueur

donde de De Broglie, les densits dtats dans les bandes de valence et de conduction sont dites

discrtises. On forme alors un puits quantique dont les proprits physiques sont modifies sur

laxe perpendiculaire du plan de croissance (figure l - 9). La figure l - 10 prsente le schma de

bande dune structure multi puits quantique AlGaN/GaN.

Figure l - 10 Structure multi puits quantique AlGaN/GaN rel et son schma de bande dans lespace rel

Cette structure est compose de deux puits quantiques AlGaN/GaN : le matriau AlGaN est

une rgion appele barrire de potentiel et le matriau GaN cr le puits de potentiel. Un puits de

potentiel est form par pitaxie de deux matriaux semiconducteurs ayant un gap diffrent. Le

transport lectronique se fait principalement par les lectrons et les trous. Le puits quantique,

quant lui, favorise les transitions lectroniques et donc le transport ne se fait plus par diffusion

comme dans une structure classique.

Lassociation des deux structures permet doptimiser le confinement des particules (lectrons,

photons) pour le potentiel et daugmenter le gain avec les puits quantiques. Les transitions

lectroniques se produisent de manire spontane dans un puits quantique. Lorsque la structure

comporte plusieurs puits quantiques (figure l - 10), un phnomne damplification de la lumire par

Matriau massif

(3D)

Puits quantique

(2D)

Tube quantique

(1D)

Boite quantique

(0D)

GaN

AlGaN

Bande de

conduction (BC)

Bande de valence

(BV)

Niveaux dnergie

(Eigen)EG AlGaN EG GaN

x (nm)

E (eV)

AlGaNAlGaN AlGaNGaN GaN

EF

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium 16 mission stimule est mis en uvre et permet daugmenter le rendement quantique interne [28].

Cependant, la trs faible largeur dun puits quantique (quelques 10 ) ne permet pas un bon

confinement des photons crs et il est souvent ncessaire dassocier un puits quantique un

puits de potentiel [28]. Les fonctions donde de llectron et du photon sont quasiment nulles

lextrieur du puits de potentiel. De ce fait, la probabilit de prsence des particules, proportionnelle

2, est trs faible.

Plusieurs structures MPQ existent selon le domaine de longueur donde choisi. Les PQs

AlGaN/InGaN ou GaN/AlGaN permettent une mission dans lUV (25: 38: nm) tandis que les

PQs InGaN/GaN sont utiliss pour les domaines bleu/vert (380 530 nm) [28, 29]. Ces derniers

sont gnralement raliss par EJM ou MOCVD sur une couche de GaN elle-mme dpose sur un

substrat [30].

II.1.3 Substrats et dopants usuels pour le nitrure de gallium

Le substrat GaN natif ou labor dans lindustrie des semiconducteurs est trs rare. Il est donc

obligatoire dutiliser un substrat hte permettant dlaborer un composant. La grande difficult est

de trouver un substrat dont le paramtre de maille soit compatible avec le GaN. Dans les annes

1990, ce premier verrou technologique a t lev mme si la qualit de linterface substrat hte /

couche GaN ntait pas parfaite (1:10 dfauts par cm2) [15]. Afin de limiter la diffusion de dfauts

travers le composant, on ralise des couches buffer par pitaxie de type MOCVD. Ces techniques

ont t maitrises au dbut des annes 2:::, pour llaboration de diodes lasers ncessitant un

taux de dfauts extrmement faible (< 104 cm-2) [31]. Les matriaux les plus usits en tant que

substrats htes sont le SiC, le Si et le Saphir (Al2O

3). Le tableau l - 6 compare certaines proprits

physiques des matriaux SiC, Si et Saphir [15, 32-34].

Paramtres @ 300 K SiC Si Saphir

a () 4,3596 5,43102 4,765

d (g.cm-3

) 3,2 2,3290 3,98

Tfusion

(C) 2793 1410 2030

(W. cm-1

.K-1

) 3,7 1,56 0,23

n 2,7 3,42 1,75

EG (eV) 2,36 1,12 8,1 8,6

T (%) 85 90 50 55 85 90

Domaine de transmission (m) 0,4 0,8 1,5 6 0,2 5

(.cm) 10 2

10 3

> 50.10 3

> 10 11

Tableau l - 6 Paramtres physiques des substrats SiC, Si et Saphir

d : densit du matriau, Tfusion

: temprature de fusion, : conductivit thermique, T :

transmittance et : rsistivit lectrique.

La qualit du SiC massif et de son traitement de surface, sa conductivit thermique leve, sa

disponibilit et sa rsistivit leve, expliquent que le SiC soit considr comme un substrat

rgulirement exploit pour les dispositifs optolectroniques. Ses points faibles sont le cot et la

prparation quil ncessite pour obtenir une qualit acceptable avec une densit de dfauts

(dislocations) infrieure 105 cm-2 [35]. Bien que certains types de DELs soient fabriqus sur

substrat SiC, ce dernier est surtout utilis pour la fabrication de Transistors de puissance Effet de

Champ (FET).

Le silicium (Si) est le matriau qui reprsente un attrait particulier dans la fabrication des DELs

de puissance. Cest le matriau le moins cher, disponible sur de larges wafers (3:: mm), et,

contrairement au GaAs, il possde une excellente stabilit thermique dans les conditions mises en

place pour lpitaxie du GaN. Cependant, le GaN Wz ralis sur substrat Si est trs souvent

17 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

hautement dfectueux (densit de dfauts > 109 cm-2) car le dsaccord de maille est de lordre de

17 % ce qui entrane des contraintes en tension [36, 37]. Pour pallier ce problme, une couche

trs fine (< 3: nm) dAlN, jouant le rle de couche tampon, est gnralement utilise pour faire

crotre les couches de transition GaN [38, 39]. En effet, le dsaccord de maille entre lAlN et le GaN

est trs faible (2,5 %) [40].

Le saphir est considr comme le meilleur compromis des quatre substrats tudis dans le

tableau l - 6. Il est principalement utilis pour les DELs faible puissance (< 100 mW). De plus, le

saphir est relativement peu cher, transparent, disponible en grandes quantits pour des tailles de

wafer allant de 2 4 pouces (voire 6 pouces) [41], et sa qualit en termes de surface et dfauts

dans le matriau massif, ne cesse daugmenter. De plus, sa transmittance reste leve (> 85 %)

sur le plus large domaine en longueur donde (de 2:: nm 5 m). Ceci explique quil couvre un

large domaine dapplications dans la fabrication des composants optolectroniques (dtecteurs,

DELs).

Concernant le dopage dans les couches de GaN, deux principaux lments sont trs largement

utiliss : le silicium (Si) pour un dopage de type N et le magnsium (Mg) pour un dopage de type P.

Le Si est un des dopants majoritairement utilis pour raliser des couches GaN dopes N. Lors

de la phase de dpt par jet molculaire, les proprits physico-chimiques du silicium permettent

un dopage uniforme et matris en terme de concentration. La variation de la concentration du

dopage N au silicium stend de 1017 2.1019 cm-3 en matrisant le flux de SiH4 par MOCVD [15].

Le dopage P du GaN a reprsent un second verrou technologique majeur lev dans

llaboration des dispositifs optolectroniques base de GaN. Comme tout matriau grand gap (>

3 eV), le dopage P a toujours t considr comme une tape difficile et dlicate. Depuis 1989, le

manque de dopants P pour les nitrures de type GaN a considrablement ralenti lvolution de la

fabrication de dispositifs optolectroniques. Deux obstacles principaux ont ralenti lvolution des

technologies GaN :

La prsence dhydrogne dans les techniques dpitaxie en phase vapeur. Ce dernier

crait une couche de passivation sur le Mg impliquant des proprits lectriques et

optiques inappropries pour les applications vises ;

Le fort dopage P au Mg reste difficile aujourdhui car celui-ci est sujet une auto-

compensation par la prsence de dfauts crs durant lpitaxie jouant le rle de

donneurs ;

Au cours des annes 199:, il a t dmontr que la prsence dhydrogne est en fait un atout

considrable pour obtenir une grande conductivit lectrique (type P) [42]. Cependant, le

phnomne dauto-compensation reste effectif, mme aujourdhui. La zone P reste donc une zone

critique pour cette technologie.

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium 18

II.2 Diodes lectroluminescentes base de GaN

Les investissements effectus dans lindustrie des DELs GaN depuis la fin des annes 199:, ont

provoqu un essor international considrable de lvolution technologique de ces composants.

Cette partie tisse donc une synthse des amliorations technologiques qui ont t apportes tant

au niveau de la "puce nue" que de lassemblage. Des techniques autant complexes que novatrices

ont russi faire des DELs GaN une technologie capable de rpondre aujourdhui des besoins la

fois conomiques et environnementaux principalement centrs sur la rduction de la

consommation mondiale dlectricit.

II.2.1 Etat de lart des avances technologiques des DELs GaN "puce nue"

La structure conventionnelle, connue depuis la fin des annes 199:, de la puce dune DEL GaN

est prsente par la figure l - 11 [43].

Figure l - 11 Schma dune structure conventionnelle dune DEL GaN

Le contact P est gnralement constitu dune bicouche transparente trs fine dalliage Ni/Au

(2 nm/6 nm) dpose sur une couche de contact GaN dope P dpaisseur 3:: nm. Le contact N

est compos dune bicouche Ti/Al (5: nm/2 m) dpose sur une couche GaN dope N. Cette

dernire fait 3,5 m dpaisseur et est dpose sur une couche de transition (3: nm) de GaN non

dop dpose sur un substrat saphir, isolant lectrique, dpaisseur 8: m. Cette proprit de

conductivit lectrique leve permet de raliser un composant avec deux contacts suprieurs et

rduit les fuites de courant avec le substrat.

La zone active est constitue dune structure MPQ In0,3

Ga0,7

N/GaN (9 priodes) fabrique par

EJM. Lpaisseur de chaque puits InGaN est de 3: et celle de chaque barrire GaN est de 70 .

La dimension de la plage de report de la puce est denviron 35: m x 350 m. Ce type de

structure permet dobtenir une puissance optique suprieure 1,5 mW 2: mA.

Depuis le dbut des annes 2000, de nombreux efforts ont t accomplis afin damliorer la

puissance optique, le rendement externe de luminescence et rduire lauto-chauffement.

Kim et al ont labor une conception de DELs structure verticale avec un substrat saphir

grav en "V" (Sapphire-Etched Vertical-Electrode Nitride Semiconductor - SEVENS) [44, 45]. La

figure l - 12 prsente le schma de la puce SEVENS avec limage de Microscope Electronique

Balayage (MEB) correspondante.

Contact N (Ti/Al)

Contact P

Couche transparente de contact

(Ni/Au)

MPQ InGaN/GaN

Couche de transition

(GaN non dop)

Substrat Saphir

N - GaN

P - GaN

19 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

Figure l - 12 (a) Schma dune structure SEVENS dune DEL GaN, (b) Image MEB dun wafer de DELs SEVENS

Grce cette technique, le rendement externe est amlior de 8,4 % compar aux structures

conventionnelles contacts latraux o le rendement externe slve 7,5 %. Kim et al ont mesur

une puissance optique de 4,5 mW 20 mA [44]. Cette amlioration est attribue au via grav

dans le substrat saphir permettant de rduire lauto-chauffement de la puce. La mme structure

a t ralise pour des DELs de puissance dont la puissance optique tait de 1,8 4,3 fois

suprieure celle dune DEL de puissance conventionnelle alimente 2:: mA [45].

Dautres travaux ont permis de lever un troisime verrou technologique sur lamlioration de la

qualit des substrats saphir pour augmenter les performances en termes de puissance optique et

de rendement externe. La figure l - 13 synthtise lensemble des motifs adopts pour la gravure

des substrats saphir [46-48].

Figure l - 13 (a) Schma dune DEL GaN indiquant la zone du substrat grave, (b) Motif cylindrique et image

AFM correspondante, (c) Motif sphrique avec image MEB correspondante, (d) Motif pyramidal avec image

MEB correspondante

Gao et al ont rapport une augmentation de la puissance optique entre 17 % et 37 %, par

rapport une structure conventionnelle (figure l - 11), en utilisant un motif cylindrique (figure l -

13b) grav par voie humide et par plasma ICP (Inductively Coupled Plasma) [46]. Dautres tudes

Couche revtement P-GaN (200 nm)

MPQ InGaN/GaN (5 priodes)

Couche revtement N-GaN (220 nm)

Contact N-GaN (2 m)

CoucheGaN (2 m)

Substrat

Saphir(80 m)

Ti/AlRflecteur

Via

Contact P (Ni/Au)

Ti/Au)

(a) (b)

ITO

Cr/Pt/Au

Cr/Pt/Au

P-GaN

P-AlGaN

MPQ InGaN/GaN

N-GaN

Substrat Saphir grav

(a)

(b)

(c)

(d)

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium 20 utilisant le mme motif ont obtenu jusqu 4: % daugmentation de la puissance optique en

employant une technique de nano-lithographie par MOCVD [49, 50]. La raison principale de cette

amlioration est que ce type de motifs permet de relaxer les contraintes linterface GaN/saphir

conduisant une rduction de la densit de dfauts (dislocations) du substrat saphir infrieure

108 cm-2. La consquence de lamlioration de la qualit du substrat est une meilleure dissipation

thermique expliquant laugmentation de la puissance optique pour un mme courant dalimentation

(20 mA).

Le motif sphrique (figure l - 13c) est un des plus efficaces puisquen espaant les micro-

sphres de 5 m, Oh et al ont confirm une augmentation de la puissance optique de 155 % par

rapport aux DELs conventionnelles (figure l - 11) [47]. Ces travaux ont galement mis en vidence

que de la rduction de la densit de dislocations (jusqu 1:8 cm-2) est fonction de lespace entre les

diffrents motifs obtenus par gravure sche ICP et photolithographie. Ceci conduit galement une

meilleure dissipation thermique.

Enfin, la technique utilisant le motif pyramidal (figure l - 13d) savre tre galement trs efficace

et permet damliorer la puissance optique de 25 % 7: % [48, 51, 52].

La grande diffrence entre les indices de refraction de lair et du GaN (n = 2,85) a conduit de

nombreux travaux sur la couche de contact doxyde dindium dope ltain (ITO Indium Tin Oxide)

pour permettre davoir un contact transparent et dviter le phnomne de rflexion total interne

dans la puce GaN. LITO a t choisi pour sa conductivit leve (105 -1.cm-1), sa forte

transmittance optique (90 %), et son coefficient dabsorption 42: nm ( = 664 cm-1)

gnralement plus faible que la plupart des couches minces mtalliques ( = 3.105 cm-1) [53, 54].

Chang et al ont prpar avec succs une couche dITO par pulvrisation cathodique Radio

Frquence (RF). Un recuit in situ a permis damliorer sa transmittance jusqu 97 % rduisant

ainsi la tension de fonctionnement de 5,74 V 4,28 V [55]. Une autre tude a dmontr que lITO

pouvait aussi tre employ sur des DELs de puissance conduisant ainsi une augmentation du

rendement externe de 46 % et une amlioration de la puissance optique de 36 % [56]. La faon la

plus innovante damliorer lextraction de lumire, grce au matriau ITO, a t propose par Kim

et al en produisant une couche dITO gradient dindice (Graded-Refractive-Index ITO - GRIN-ITO) et

Anti-Rflexion (AR). Ils ont montr que le rendement de luminescence sest amlior de 24,3 % par

rapport une DEL avec une couche dITO massif (nITO

= 2,19). Ceci est d la forte rduction de la

rflexion de Fresnel linterface ITO/air (1,17 < nGRIN ITO

< 2,19) [57]. Le phnomne de rflexion total

interne dans la puce GaN reprsente donc un quatrime verrou lev.

Dautres propositions ont contribu lamlioration de la puissance optique. La structuration de

cristaux photoniques a, par exemple, t applique sur la couche de contact P-GaN. La figure l - 14

prsente un schma dune DEL GaN cristaux photoniques (PC DEL) [58].

21 Chapitre I - Diodes Electroluminescentes : Etat de lart des technologies GaN

Figure l - 14 (a) Schma dune DEL GaN cristaux photoniques, (b) Image MEB des cristaux photoniques

Plusieurs tudes ont prouv lefficacit dinsrer des cristaux photoniques en dmontrant que la

puissance optique peut augmenter jusqu 40 % [59, 60], voire quasiment tripler par rapport des

structures conventionnelles (figure l - 11) [61]. Les cristaux photoniques sont gnralement

raliss par nano-lithographie ou holographie laser [58, 62].

Su et al ont galement russi lever un dfi technologique en laborant une zone active base

de boites quantiques de 3 nm de hauteur et de 10 nm de largeur. Ils ont notamment dmontr

quen injectant des courants de 3 50 mA, le gap de la zone active de la DEL drive de 68,4 meV.

Cette trs faible drive est due linsensibilit des botes quantiques au courant et la

temprature. Ce dispositif est donc stable en longueur donde malgr le phnomne dauto-

chauffement [63]. En effet, les niveaux dnergie dans une boite quantique sont trs faiblement

dpendants de la temprature. Ce rsultat est important pour des applications dont

lenvironnement en temprature est fortement changeant : automobile, spatial, aronautique, La

contrepartie de cette technologie est quelle est encore trs mal adapte aux fortes puissances.

Pour les fortes puissances, la structure MPQ InGaN/GaN est utilise avec les couches P-GaN et

N-GaN de transition et plusieurs solutions pour augmenter le rendement de luminescence ont t

proposes. La structure la plus usite aujourdhui dans la fabrication des DELs de puissance est la

structure verticale. La figure l - 15 prsente la schmatisation dune structure verticale typique des

DELs de puissance [64].

Figure l - 15 Schma dune structure verticale typique dune DEL GaN de puissance

Cette structure prsente lavantage davoir une rpartition uniforme de la densit de courant et

peut tre produite des dimensions importantes (de 300 x 300 m 980 x 980 m) [64]. En

effet, cette conception se base sur lutilisation de substrats Si. Linconvnient des substrats Si est

leur forte absorption de la lumire mise par les matriaux nitrures car le gap du silicium est,

(a)

Contact N

P-GaN

MPQ InGaN/GaN

N-GaN

Substrat Saphir

Contact P

(b)

Couche mince transparente de

contact P

Cristaux photoniques

N-GaN

MPQ InGaN/GaN

P-GaN

Substrat SiCouche mtallique

Contact P (AuSn)

Passivation

Pad N (Au)

II Etat de lart des DELs base de nitrure de gallium 22 temprature ambiante de 1,12 eV, et absorbe donc une bonne partie de la lumire mise par la

zone active. Pour pallier ce problme, une couche mtallique, gnralement compose dArgent

(Ag) possdant une rflectivit suprieure 90 %, est insre entre la couche P-GaN et le substrat.

Le contact P est dpos directement sur le substrat Si et est souvent compos en AuSn pour quil

soit bras sur son support cramique avec un plot (pad) en Or. Une couche de passivation confine

la lumire pour une mission verticale. Enfin, un plot en Au sert gnralement de contact N sur

lequel un bonding est mont. La zone active InGaN/