Développement d'une technologie et d'un procédé de croissance de LEDs GaN sur substrats de Silicium structurés – MOSAIC

Les fabricants et les laboratoires de R&D impliqués sur les diodes électroluminescentes (LED) pour l’éclairage sont engagés dans une course à l’efficacité énergétique des émetteurs (Lumen/Watt) et à la réduction de leurs coûts de fabrication (Euro/lumen). Ce dernier point étant un des freins majeurs à la commercialisation en masse des LEDs pour l’éclairage.
Les LEDs blanches disponibles actuellement sont constituées de deux parties distinctes : une LED bleue qui émet de la lumière sous injection électrique et un luminophore (« phosphore ») qui absorbe une partie des photons bleus pour les ré-emettre dans le jaune. La combinaison du bleu et du jaune donne une lumière blanche convenable pour l’éclairage.
Les LEDs bleues sont fabriquées à partir de semi-conducteurs de la famille des nitrures d’éléments III (Al,Ga,In)N qui sont épitaxiés le plus généralement sur substrat saphir.
La réduction du coût de fabrication est actuellement au centre de la stratégie des majors du domaine. L’approche « substrat silicium » est une des solutions privilégiées aujourd’hui par rapport au substrat classique saphir. Deux avantages sont principalement mis en avant :
- coût, taille, qualité et disponibilité du substrat silicium,
- simplification du retrait du substrat de croissance (et contournement des brevets associés au retrait du substrat saphir utilisés actuellement).
Les performances des LEDs sur Silicium sont cependant en deçà de celles sur saphir pour le moment. Ce décalage s’explique par la qualité du matériau obtenu : les taux de dislocations sont plus élevés et les contraintes thermiques ne permettent pas de croître des couches épaisses susceptibles de réduire ces taux.
Le CRHEA a développé, depuis une dizaine d’années, des couches d’interface (ou buffer) permettant de compenser les contraintes thermiques et d’obtenir des couches épaisses de GaN, mais au maximum de l’ordre de 3 µm. Au-delà, des fissures se forment empêchant la réalisation de dispositifs comme les LEDs. C’est un point dur de la croissance sur substrat Si.

Une solution possible pour éviter la formation de ces fissures et obtenir ainsi des couches de GaN de bonne qualité sur substrat Si est de structurer le substrat avant épitaxie. Cette structuration consiste à définir des mesas séparées par des tranchées ….comme une mosaïque. L’intérêt est d’avoir une couche de GaN épitaxiée sur les mesas disposant de bords libres permettant de relaxer efficacement la contrainte. Les dimensions des mesas fixent la taille finale de la LED. Cette solution semble prometteuse : une start-up chinoise (Lattice-Power) a annoncé très récemment des performances de LED bleues sur substrat Silicium approchant celles de LEDs sur substrat saphir.
Dans le cadre du projet MOSAIC, nous projetons de développer un procédé de préparation de substrat Si, un procédé d’épitaxies de couches AlGaInN et un procédé de fabrication de LEDs haute efficacité et bas coût sur ces substrats.
Pour cela nous développerons un procédé de croissance d’hétérostructures GaN sur Si structuré. De par sa structuration en mosaïque, ce procédé ouvrira la porte vers l’utilisation de substrat de plus grande dimension pour réduire les coûts de fabrication.
Les enjeux étant technico économiques, nous nous attacherons en outre à développer une filière complète permettant d’évaluer l’impact de toutes les étapes sur la performance et la simplification du procédé de fabrication de LEDs apportée par l’utilisation du Si comme substrat.