Figure 1. Une structure InGaN complète développée sur des substrats InGaN sur saphir (InGaNOS) peut couvrir le spectre du bleu à l'ambre. (Source : Soitec)
Les avantages présentés par les écrans microLED incluent une faible consommation d'énergie, une haute résolution, une réponse rapide et une luminance élevée. De plus, des capteurs peuvent être intégrés à ces écrans. Mais il reste encore de nombreux défis à relever pour la technologie microLED tels que le coût, la chaîne d'approvisionnement, la gestion des défauts, la transférabilité de masse et l'efficacité. En particulier, l'efficacité des LED vertes reste un défi. De plus, les écrans microLED nécessitent l'utilisation de LED rouges, vertes et bleues (RVB), obtenues en mélangeant des LED nitrures et des LED phosphures. Ce mélange fait que les LED bleues, vertes et rouges se comportent différemment en termes de température et de vieillissement, ce qui a un impact sur la qualité des couleurs de l'image. De plus, les LED bleues, vertes et rouges nécessitent chacune des drivers électroniques spécifiques, ce qui rend l'intégration plus complexe.
La solution idéale pour les fabricants de microLED serait la disponibilité de LED nitrure efficaces en vert et en rouge. Dans ce cas, toutes les LED RGB seraient composées du même matériau avec les mêmes comportements et conditions de conduite. Le défi consiste à trouver un matériau capable de couvrir le spectre du bleu au rouge. Théoriquement, l'alliage indium-gallium-nitrure (InGaN) peut couvrir toute la gamme visible en ajustant la teneur en indium pour affiner la longueur d'onde d'émission maximale. Malheureusement, une teneur élevée en indium dans les LED à base de GaN entraîne une mauvaise qualité en raison des discordances de réseau entre les couches tampons de GaN et les puits quantiques InGaN.
Une solution matérielle innovante
Pour répondre à ces problèmes, Soitec a développé un substrat innovant appelé InGaNOX (InGaN-on-X) qui surmonte la désadaptation de réseau. Le substrat a une couche supérieure InGaN relaxée qui peut être utilisée comme couche de germe pour une croissance complète des LED InGaN. La technologie a été démontrée dans la fabrication d'hétérostructures émettant des nitrures bleus, verts et rouges sur des tranches de 100 mm et est évolutive jusqu'à des tranches de 300 mm.
Le matériau de départ est une matrice de donneur InGaN généralement formée par une couche InxGa1-xN de 200 nm d'épaisseur sur du GaN de 3 µm d'épaisseur sur saphir, dans laquelle la teneur en indium x varie de 1,5 % à 8 %. La couche InGaN est tendue en raison du décalage de réseau entre GaN sur saphir et la couche InxGa1-xN.
La fine couche d'InGaN est ensuite transférée grâce à la technologie Smart Cut TM de Soitec sur une couche compliante déposée sur un substrat. Ensuite, la couche d'InGaN est structurée et tous les motifs sont relâchés grâce à un procédé spécifique développé par Soitec. Pour obtenir la polarité Ga-face finale, un deuxième transfert est effectué sur la plaquette de poignée finale (figure 2).
Figure 2. (a) Un substrat InGaNOS de 100 mm est représenté avec une couche In0.08Ga0.92N et des motifs de 300 µm x 300 µm à 3,205 angströms. La zone brune est la couche à motifs In0.08Ga0.92N. (b) Cette vue microscopique montre un motif de 300 µm x 300 µm avec une couche supérieure partiellement détendue InxGa1-xN.(Source : Soitec)
Les paramètres de réseau peuvent être réglés de 3,190 angströms à 3,205 angströms par le processus donneur et de relaxation, permettant des émissions du bleu au rouge. La taille du motif peut être personnalisée à partir de millimètres carrés jusqu'à 5 µm x 5 µm.
Cette méthodologie est compatible avec les tranches de poignée en saphir, en verre ou en silicium d'une taille allant jusqu'à 300 mm.
Atteindre l'émission directe verte et rouge
Les avantages des substrats InGaN détendus sont démontrés par la croissance d'hétérostructures entièrement émettrices d'InGaN et leur émission directe. Ces hétérostructures ont été développées et caractérisées par l'institut de recherche en électronique CEA-Leti.
Des hétérostructures LED InGaN complètes composées d'une couche tampon InGaN d'environ 200 nm suivie de puits quantiques 5x InxGa1-xN / InyGa1-yN sont développées sur des substrats InGaN-on-sapphire (InGaNOS) avec des paramètres de réseau allant de 3.190 angströms jusqu'à 3.205 angströms. Les largeurs de puits et de barrière attendues sont respectivement de 3 nm et 8 nm. Selon les paramètres de maille du substrat InGaNOS, l'incorporation d'indium varie dans les puits InxGa1-xN pour les mêmes conditions de croissance. L'émission de l'hétérostructure peut être réglée du vert (537 nm) au rouge (617 nm) avec FWMH de 46 nm et 75 nm, respectivement.
Figure 3. Les spectres de photoluminescence à température ambiante de structures InGaN complètes cultivées sur InGaNOS 3.190 angströms (courbe bleue), InGaNOS 3.200 angströms (courbe verte) et InGaNOS 3.205 angströms (courbes orange et rouge) sont présentés. (Source : Soitec)
Un substrat InGaNOS permet des hétérostructures InGaN complètes avec une émission directe du bleu au rouge (figures 1 et 3), tandis que les LED vertes standard sont le produit de LED bleues et de conversion de phosphore et que les LED rouges standard sont fabriquées à partir de LED phosphures. La prochaine étape est la fabrication de LED entièrement InGaN optimisées avec mesure externe de l'efficacité quantique (EQE).
Une approche disruptive pour les écrans microLED
La solution technologique disruptive de Soitec répond aux défis majeurs auxquels est confrontée l'industrie de la microLED :
– Les substrats conviennent à la production de LED vertes à haut rendement à émission directe, éliminant ainsi le besoin de convertisseurs de phosphore.
- La cohérence de la qualité des couleurs est améliorée avec des LED bleues, vertes et rouges entièrement InGaN qui ne nécessitent pas de mélange de LED nitrure/phosphure.
En plus de produire des microLED à haut rendement et de haute qualité, la technologie InGaNOX peut être utilisée pour créer des substrats avec des paramètres de réseau mixtes, permettant la croissance de LED de différentes couleurs sur le même substrat. Cela pourrait réduire considérablement le coût du transfert de masse microLED pour la fabrication de micro-écrans.
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Source : LED à l'intérieur
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