GaN microwires with GaN/AlGaN core-shell heterostructures : from growth to single wire UV devices
Microfils GaN à hétérostructures GaN/AlGaN coeurs-coquilles : de la croissance aux dispositifs UV à fil unique
Résumé
III-N based LEDs are excellent candidates for the increasing demand of efficient and environmentally friendly UV sources. Despite more than 20 years of research on planar UV LEDs leading to significant optimizations, improving the efficiency of UV sources remains a challenging objective. A promising approach to the development of UV devices is the use of nanostructures, such as nano/microwires. This PhD work concerns the growth and the optical/structural properties of non-polar GaN/AlGaN quantum wells, grown in core-shell geometry on GaN microwires sidewall. This type of original structure is not well documented in the literature, with only one demonstration of an LED device emitting at 318 nm. Thus, this work corresponds to pioneer research on core-shell microwires for UV emission, with a complete study ranging from the growth by vapour phase epitaxy of non-polar GaN/AlGaN heterostructures to the elaboration of UV electroluminescent devices from single wires. We first studied the growth conditions of the AlGaN shell to control the development of non-polar GaN/AlGaN heterostructures. Secondly, structural characterizations were carried out to determine the crystal quality of the GaN/AlGaN quantum wells, the different growth rates of the epitaxial layers, as well as the 60% Al composition in the AlGaN alloy. The UV emission of the non-polar GaN/AlGaN wells was measured by cathodoluminescence and photoluminescence at low temperatures, showing the control of the UV emission in the 350-290 nm range by adjusting the quantum well thicknesses from 4.3 to 0.7 nm. On the other hand, optical characterizations showed localization phenomena for the thinnest wells that local cathodoluminescence measurements and TEM observations attribute to a quantum dot regime. Part of this work focused on stress relaxation through crack formation, which was observed by cathodoluminescence to have a negative impact on the quantum well emission. This study validated the existence of a relevant relaxation criterion for core-shell structures defined by an empirical threshold of elastic energy per unit area, which had already been estimated at 4 J.m-2 for planar structures. Thus, in order to respect this limit, a reduction in the thickness of the AlGaN barriers resulted in the complete suppression of cracks. The last part of the PhD work was dedicated to preliminary studies of the electrical properties of GaN/Al0.6Ga0.4N heterostructure inserted in a core-shell p-n junction demonstrated by EBIC measurements. A first device was developed with 2.6 nm GaN wells to achieve UV-A electroluminescence at 340 nm. We also demonstrated single-wire UV-B electroluminescence at 310 nm for a quantum dot heterostructure, which reaches the state-of-the-art in terms of wavelength. Finally, a last UV-B LED device was realized with ultrathin AlGaN barriers, which allowed to circumvent the quantum dot regime and to obtain the growth of ultrathin wells in the monolayer regime. Thus, a heterostructure with Al0.6Ga0.4N barriers and GaN wells of only two monolayers thick (0.55 nm) was achieved, exhibiting an electroluminescence as low as 302 nm for core-shell structures on GaN microwires.
Les LED réalisées à partir de semi-conducteurs III-N sont d’excellentes candidates pour répondre à la demande croissante de sources UV efficaces et respectueuses de l'environnement. Malgré les travaux de recherche réalisés depuis plus de 20 ans sur les LED UV planaires qui ont conduit à d’importantes optimisations, il reste des défis à surmonter pour améliorer le rendement des sources UV. Une voie prometteuse dans l'optimisation des dispositifs UV est l'utilisation de nanostructures, comme les nano/microfils. Ce travail de thèse porte sur la croissance et les propriétés optiques et structurales de puits quantiques non-polaires GaN/AlGaN, développés en géométrie cœur-coquille sur les facettes verticales de microfils de GaN. Ce type de structure originale est très peu présent dans la littérature avec une unique démonstration de dispositif LED émettant à 318 nm. Ainsi, ce travail correspond à des recherches pionnières sur les microfils cœurs-coquilles pour l’UV, avec une étude complète allant de la croissance par épitaxie en phase vapeur d’organométalliques des hétérostructures GaN/AlGaN non-polaires jusqu’à l’élaboration de dispositifs électroluminescents dans l’UV à partir de fils uniques. Nous avons tout d'abord étudié les conditions de croissance de la coquille AlGaN pour maîtriser le développement d’hétérostructures GaN/AlGaN non-polaires. Ensuite, des caractérisations structurales ont permis de déterminer la qualité cristalline des puits quantiques GaN/AlGaN, les différentes vitesses de croissance des couches epitaxiées, ainsi que la composition à 60 % d’Al dans l’alliage d’AlGaN. L’émission UV des puits GaN/AlGaN non-polaires a été mesurée par cathodoluminescence et photoluminescence à basse température permettant de rendre compte du contrôle de l’émission UV dans la gamme 350-290 nm en faisant varier les épaisseurs des puits quantiques de 4.3 à 0.7 nm. D’autre part, les caractérisations optiques ont montrées des phénomènes de localisation pour les puits les plus fins que des mesures locales de cathodoluminescence et des observations TEM ont permis d’attribuer à un régime de boîtes quantiques. Une partie de ce travail s’est également intéressé à la relaxation des contraintes par la formation de fissures dont l’incidence négative sur l'émission des puits a été observée par cathodoluminescence. Cette étude, a confirmé l’existence d’un critère de relaxation pertinent pour les structures cœurs-coquilles qui est définit par un seuil empirique d'énergie élastique par unité de surface, qui avait déjà été estimé à 4 J.m-2 pour des structures planaires. Ainsi, pour respecter cette limite, une réduction de l'épaisseur des barrières d'AlGaN a permis la suppression complète des fissures. La dernière partie des travaux de thèse a été dédiée aux études préliminaires des propriétés électriques de l’hétérostructure GaN/Al0.6Ga0.4N insérée dans une jonction p-n en géométrie cœur-coquille. Un premier dispositif a été développé avec des puits de GaN de 2.6 nm permettant d’obtenir une électroluminescence dans l’UV-A à 340 nm. Des mesures EBIC ont bien confirmé la présence d’une jonction p-n radiale. Nous avons également pu démontrer une électroluminescence de fil unique dans l’UV-B à 310 nm pour une hétérostructure en régime de boites quantiques, ce qui est au niveau de l’état de l’art en termes de longueur d’onde. Enfin, un dernier dispositif UV-B a été réalisé avec des barrières d’AlGaN ultrafines, ce qui a permis de contourner le régime de boites quantiques et d’obtenir la croissance de puits ultrafins sous la forme de monocouches. Ainsi, une hétérostructure avec des barrières d’Al0.6Ga0.4N et des puits de GaN de seulement 2 monocouches d’épaisseurs (0.55 nm) a été réalisée, donnant une électroluminescence record de seulement 302 nm pour des structures cœurs-coquilles sur des microfils de GaN.
Origine : Version validée par le jury (STAR)