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Marion Gruart

Elaboration et propriétés de nanofils à base d'InGaN pour la réalisation de micro et nanoLED

Publié le 19 octobre 2020
Thèse soutenue le 19 octobre 2020  pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Résumé :
Les semiconducteurs III-N, incluant le GaN, l’AlN, l’InN et leurs alliages, font l’objet d’un intérêt grandissant pour le développement de dispositifs optoélectroniques. Leur gap direct dont l’énergie est comprise entre l’UV profond et l’IR (de 6,14 à 0,64 eV) permet d’exploiter une large gamme du spectre et ainsi viser de nombreuses applications. Depuis la réalisation des premières LED bleues à base de puits quantiques InGaN/GaN, ayant donné lieu au prix Nobel de physique de 2014, l’alliage InGaN est particulièrement étudié pour le développement des LED visibles. La fabrication des matériaux III-N par épitaxie fait cependant face à de nombreuses difficultés, incluant le large désaccord de maille entre les différents matériaux III-N, ainsi qu’avec les substrats disponibles. Les défauts structuraux générés par les contraintes d’épitaxie, diminuant drastiquement l’efficacité des dispositifs opto-électroniques, font ainsi partie des obstacles majeurs quant au développement des LED III-N.
Facilitant la relaxation latérale des contraintes d’épitaxie grâce à leur facteur de forme, les nanofils semiconducteurs sont largement étudiés pour la réalisation d’hétérostructures axiales d’excellente qualité structurale. La thèse présentée ici s’intéresse ainsi à l’épitaxie de nano et microfils III-N pour la réalisation de structures LED visibles. En particulier, nous chercherons à optimiser l’efficacité des LEs à haute teneur en In (environ 35 %In) pour l’émission dans la gamme rouge. L’épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma (PA-MBE) est une technique particulièrement adaptée pour cette étude car elle permet de générer des nanofils à base d’InGaN/GaN dont la composition en In peut varier entre 0 et 100 %. Afin de contrôler le diamètre et l’espacement des fils tout en s’affranchissant des inhomogénéités des nanofils auto-nucléés, nous choisissons d’effectuer une reprise d’épitaxie PA-MBE sur des pseudo-substrats réalisés par croissance sélective. Ces pseudo-substrats, contenant des nano et microfils ordonnés de GaN d’orientation [0001], nous permettent d’ouvrir une étude approfondie sur les mécanismes de croissance du GaN et de l’InGaN en fonction des dimensions des fils.
L’optimisation d’un dispositif nécessite dans un premier temps de bien maîtriser les mécanismes de croissance intervenant lors de l’homoépitaxie du GaN ou lors de l’hétéroépitaxie de l’InGaN sur les fils GaN. Une première étude sur le mécanisme d’élongation des fils GaN a mis en évidence une nucléation préférentielle en périphérie de la surface supérieure des fils des nouvelles couches atomiques, ainsi que la formation de différents plans cristallins au sommet des fils selon les conditions de croissance. Sachant que l’incorporation de l’In est sensible à l’orientation de croissance, le contrôle des plans cristallins formés constitue une étape clef à la préparation de surface pour l’épitaxie de la zone active de la LED. Contrairement aux structures LED MBE à base d’InGaN semi-polaire présentées dans la littérature, nous choisissons l’orientation [0001] permettant de garantir une unique composition d’InGaN par fils pour la réalisation de LED monochromatiques. De plus, l’élargissement du sommet du fils GaN permet d’éliminer une source de court-circuit et d’améliorer l’homogénéité fil à fil avant l’épitaxie de l’InGaN. Les analyses optiques, microscopiques et chimiques ont montré que la réalisation de super-réseaux de morphologie pyramidale permettait de réduire la quantité de défauts non-radiatifs dans la zone active et d’augmenter l’intensité de la luminescence. De plus ces structures permettent d’augmenter la surface d’injection électrique dans la zone active, améliorant l’efficacité de la LED. Enfin, l’électroluminescence des LED réalisées dans cette thèse couvre une grande gamme du spectre visible (450-610 nm).

Jury :
Rapporteur : Georges Bremond
Rapporteur : Lorenzo Rigutti
Examinateur : Benjamin Damilano
Examinateur : Vincent Consonni
Examinateur : Julien Pernot
Examinateur : Éric Tournie
Directeurs de thèse : Bruno Daudun et Bruno Gayral

Mots clés :
matériaux nitrures, diodes électroluminescentes, nanofils, InGaN, épitaxie par jets moléculaires