Growth of the AlGaN alloy in planar and nanopyramid configuration for the realization of efficient UV-C LEDs
Croissance de l'alliage AlGaN en configurations planaire et nanopyramidale pour la réalisation de LEDs UV-C efficaces
Résumé
This thesis focuses on the improvement of the performances of LEDs emitting in the UV-C range. They are attracting more and more attention, especially since 2 years with the appearance of COVID-19, thanks to the germicidal power of ultraviolet radiation. However, the performances of UV LEDs strongly drops as their emissionwavelength decreases to reach the UV-C range. For this reason, a detailed study is proposed on the first part of this thesis, aiming at improving the surface morphology and the crystalline quality of the AlGaN buffer layers withhigh Al content (70%) through a parametric study. Then, multiple quantum wells (MQWs) are grown on top of this AlGaN buffer layer and first optimizations of the MQW growth conditions lead to an IQE of 20% at 268 nm.Nevertheless, the radiative efficiency of AlGaN quantum wells can be improved by reducing the dislocations density coming from the AlN/sapphire template used. One way to overcome some of these problems is to perform the growth of the whole UV LED structure on AlGaN nanopyramids. This approach is discussed in the second part of this manuscript.Thanks to the selective area growth of AlGaN nanopyramids, the dislocations coming from the substrate can be filtered through the dielectic mask, and the internal electric field in the quantum wells grown on the semi polar facets can be reduced. A detailed study is presented in the last two chapters on the selective area growth of AlGaNnanopyramids, highlighting the influence of the mask design on the pyramid morphology as well as the deposition on the mask surface, due to the short diffusion length of Al atoms. Using a conventional growth method, the AlGaN truncated pyramids have a very low Al composition in their core, the Al atoms being concentrated on the pyramid edges. In contrast, using a pulsed growth mode, the Al incorporation can start as soon as the growth begins : these results can be explained by the hydrogen etching of GaN taking place when the growth is stopped. 100% AlGaN nanopyramids have been thus obtained. First trials on AlGaN/AlGaN MQWs grown on these nanopyramids present an emission at 285 nm.
Ce travail de thèse porte sur l’amélioration des performances des LEDs émettant dans la gamme des UVC. Celles-ci attirent de plus en plus l’attention, notamment depuis 2 ans avec l’apparition du COVID-19, grâce au pouvoir germicide du rayonnement ultraviolet. Cependant, les LEDs UV connaissent une forte chute de performancesà mesure que leur longueur d’onde d’émission diminue pour atteindre la gamme des UV-C. Pour cela, une étude détaillée est proposée dans la première partie de cette thèse, visant à améliorer la morphologie de surface et la qualité cristalline des couches d’AlGaN à fort taux d’Al (supérieur à 70%) à travers une étude paramétrique. Ensuite, des multi puits quantiques (MQWs) sont épitaxiés sur cette couche d’AlGaN et une première optimisation des conditions de croissances des MQWs a conduit à un IQE de 20% à 268 nm. Néanmoins, l’efficacité radiative des puits quantiquesAlGaN peut encore être améliorée en réduisant la densité de dislocations provenant des templates AlN sur saphir utilisés. Une des manières pour contourner certaines des problématiques des LEDs UV est la réalisation de l’ensemble de la structure de la LED UV sur des nanopyramides AlGaN par croissance sélective. Cette approche est abordée dans la seconde partie de ce manuscrit.Grâce à la croissance sélective de nanopyramides d’AlGaN, les dislocations provenant du substrat peuvent être filtrées à travers le masque diélectrique et le champ électrique interne est réduit dans les puits quantiques crus sur les facettes semi-polaires. Une étude détaillée est présentée dans les deux derniers chapitres portant sur la croissance sélective de nanopyramides d’AlGaN, mettant en évidence l’influence du design du masque de croissance sur la morphologie des pyramides ainsi que le dépôt à la surface du masque, dû à la faible longueur de diffusion des atomesd’Al. En utilisant un mode de croissance conventionnel, les pyramides tronquées obtenues ont une composition très faible en Al en leur coeur, les atomes d’Al se concentrant sur le pourtour des pyramides. En revanche, dans le cas d’un mode de croissance pulsé, l’incorporation d’Al débute dès lors que la croissance commence : ces résultats peuvent être expliqués par la gravure du GaN par l’hydrogène lors des arrêts de croissance. Des nanopyramides 100% AlGaN ont ainsi pu être obtenues. Des premiers tests de MQWs AlGaN/AlGaN crus sur ces nanopyramides présentent une émission à 285 nm.
Origine : Version validée par le jury (STAR)