Caractérisation électrique et optique du nitrure de gallium hexagonal et cubique en vue de l'obtention d'émetteurs bleus

= Optical and electrical characterization of cubic and hexagonal gallium nitride for blue emitting diode applications

• Auteur / Autrice : Agnès Philippe
• Direction : Catherine Bru-Chevallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux électrooptiques

Photoluminescence

Diodes à barrière de Schottky

Nitrure de gallium

Résumé

Ce travail porte sur l'étude des propriétés électro-optiques du nitrure de gallium (GaN) qui est, à l'heure actuelle, le matériau le plus prometteur pour la réalisation d'émetteurs de lumière bleue à l'état solide. Le matériau, sous forme de couches épitaxiées sur différents substrats à forts désaccords paramétriques, est caractérisé dans ses deux phases cristallines: wurtzite et blende de zinc. Dans une première partie, nous étudions les propriétés optiques intrinsèques du matériau par photoluminescence et photo-réflectivité. Nous observons l'évolution des énergies de recombinaison des excitons avec l'état de contrainte résiduelle et la température, dans chacun des deux poly-types. L'effet d'un fort dopage sur les transitions bord de bande est montré. En particulier, nous mettons en évidence un phénomène d'auto-compensation dans les échantillons fortement dopés au silicium. En deuxième partie, nous étudions les transitions de photoluminescence liées aux défauts que nous corrélons aux conditions de croissance ou au dopage. Dans les couches non dopées ou dopées au magnésium, nous montrons les similitudes existant entre les Bandes profondes de luminescence dans GaN cubique et celles observées dans GaN hexagonal. A partir de ces éléments nous analysons l'électroluminescence de jonctions p-n dans chacun des deux poly-types. Le troisième volet est consacré à l'étude des caractéristiques électriques de diodes Schottky et de jonctions p-n sur GaN de structure hexagonale. Nous analysons les mécanismes de conduction du courant, et mettons en évidence plusieurs niveaux de défauts profonds dans la bande interdite du GaN, intervenant dans les mécanismes de recombinaisons radiatives. L'ensemble de ces résultats permet de mieux appréhender les mécanismes de conduction électrique et de recombinaisons radiatives dans les dispositifs optoélectroniques à base de GaN, et de prévoir l'effet des conditions de dépôt du matériau sur les performances des dispositifs.

We have studied electro-optical properties of bath wurtzite and zinc-blended gallium nitride (GaN), which is, presently, the most promising material for blue light emitting diodes applications. Samples characterized in this study are epitaxial layers deposited on different substrates with large mismatch of lattice parameter and thermal expansion coefficient. First, the intrinsic-optical material properties are studied by photoluminescence and photoreflectance. The evolution of excitonic recombination energies with bath residual strain and temperature is observed. Moreover, the effect of a high doping level on band edge transitions is shown. Particularly, we evidenced an auto-compensation phenomenon in highly silicon-doped layers. In a second part, we studied defect-related photoluminescence transitions, which are correlated with sample growth conditions or doping. In undoped or magnesium doped layers, similarities between deep luminescence bands in zinc-blende and in wurtzite GaN are shown. Using these results, we analyse p-n GaN junction electroluminescence of bath polytypes. The third part is devoted ta electrical studies of hexagonal phase GaN Schottky diodes and p-n junctions. We analyse current-conduction mechanisms, and evidence several Deep levels in GaN bandgap, which may be involved in radiative recombination mechanisms. Our results allow a better understanding of electrical conduction and radiative recombination mechanisms in GaN-based optoelectronic deviees, and a forecast of the influence of material growth conditions on the device performance.