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Remy Vermeersch

Réalisation de diodes électroluminescentes à base de nanofils d'AlN pour l'émission UV C

Publié le 17 janvier 2023
Thèse soutenue le 17 janvier 2023 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Résumé :
La récente pandémie de SARS-COV2 aura mis en lumière une des nombreuses applications des rayonnements UV : la stérilisation. Dans l'optique de remplacer les polluantes et encombrantes lampes à vapeurs de mercures émettant à 255 nm, la recherche se concentre désormais sur le développement de solutions à l’état solide à base de semiconducteurs. Les diodes électroluminescentes (DEL) en nitrure d’aluminium et de gallium (AlGaN) répondent aux prérequis. En pratique, la réalisation de tels dispositifs en géométrie planaire est limitée par des conductivités électriques limitées et par une difficile extraction de la lumière, entre autres. En réponse, une géométrie alternative et prometteuse est explorée dans le cadre de ma thèse: la géométrie nanofil. Mon travail de thèse a consisté à accroitre les connaissances sur la physique régissant le transport du courant dans les diodes à nanofils d’AlN crûes par épitaxie par jets moléculaires (EJM) ainsi que sur les techniques de croissance et les technologies pour la réalisation de DEL émettant dans l’UV-C.
Dans un premier temps, mon travail s’est concentré sur la croissance et la caractérisation de zones émettrices de photons UV. Des nanofils d’AlN contenant des multi-puits quantiques de GaN ont été crûs. Après caractérisation par microscopie électronique et par cathodoluminescence, les puits d'épaisseur comprise entre 1 et 4 monocouches montrent une luminescence entre 239 et 304 nm. Je me suis également intéressé aux nanofils AlGaN comportant de très faibles compositions en Ga (< 1 %) présentant des propriétés optiques très différentes de celles d’alliage standard, régies par une forte localisation de l’exciton autour d’amas d’AlGaN.
Dans un second temps, j'ai travaillé à l'amélioration du dopage de type n des nanofils d’AlN avec du silicium. Grâce aux caractéristiques électriques (I-V), la conductance des nanofils a été mesurée. Elle décrit une courbe en cloche en fonction du dopage, typique de phénomènes d’auto-compensation. Une étude approfondie du transport électrique en fonction de la température a aussi permis d’établir qu’une part significative des dopants restait en site Al avec une énergie d’ionisation de 75 meV, contrairement au donneur profond qui communément est identifié avec une énergie de 270 meV.
Dans un troisième temps, j’ai étudié les propriétés de transport électrique de jonction p-n d’AlN pour différent dopages et structures, par mesures I-V et par courant induit par faisceaux d’électrons (EBIC). Toutes les diodes montrent des comportements rectifiant typique de jonctions pn. En revanche, la présence d’une barrière tunnel limitant l’injection de trous à fortes tensions (V > 6 V) a été mis en évidence. En corrélant les mesures I-V, EBIC, CL et d’électroluminescence (EL), une structure et des paramètres de croissance optimum ont été identifiés.
Finalement, j’ai réalisé un dispositif DEL centrée à 285 nm. Les différentes DEL testées montrent une bonne reproductibilité ainsi qu'un comportement de diode prometteur. L’intensité de luminescence est proportionnelle au courant injecté et la luminescence des défauts reste très faible même à très haute tension. Une efficacité quantique externe a pu être mesurée à environ 5x10-3 %, limitée principalement par un difficile compromis entre injection électrique et extraction des photons.

Jury :
Président : David Ferrand
Rapporteure : Maria Tchernytcheva
Rapporteur : Andreas Waag
Examinateur : Fabrice Semond
Examinateur : Marc Hoffmann
Directeur de thèse : Bruno Daudin
Co-directeur de thèse : Julien Pernot

Mots clés :
Épitaxie par jets moleculaires, émission UV, III-nitrures

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