Croissance et propriétés optiques et structurales de nitrures semipolaires (11-22) hétéroépitaxiés sur saphir

Growth and optical and structural properties of semipolar nitrides (11-22) hetero-epitaxed on sapphire

• Auteur / Autrice : Nasser Kriouche
• Direction : Jean Massies, Philippe de Mierry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (électricité)

Photoluminescence

Stark, Effet

Épitaxie

Nitrures

Résumé

Ce travail de thèse concerne la croissance épitaxiale par MOVPE et l’étude de nitrures d’orientation semipolaire (11-22) sur saphir. Des couches de grande qualité cristalline ont été obtenues en utilisant deux techniques. La première est un procédé original d’épitaxie latérale (ELO) : en favorisant la croissance selon [0001], les fautes d’empilement sont arrêtées au niveau du joint de coalescence. La seconde technique consiste en l’utilisation d’un substrat de saphir plan r gravé par voie chimique : la nucléation s’effectue au niveau de micro-facette c, ainsi peu de défauts sont créés. Une couche ELO a été étudiée par photoluminescence (PL) et réflectivité en polarisation et en température. Le GaN est polarisé selon [1-100]. Les calculs en théorie k. P ont permis de retrouver les résultats PL. D’autre part des couches (In,Ga)N polaires et semipolaires ont été élaborées. L’analyse SIMS montre que l’incorporation d’indium est plus grande dans les couches semipolaires. Ces dernières présentent un fort décalage de Stokes tandis que celui des couches polaires est très faible. Les résultats sur les puits quantiques (In,Ga)N/GaN épitaxiés sur tremplin GaN et GaN ELO montrent que l’ELO apporte une amélioration d’un facteur 3 sur l’intensité d’émission, faible en comparaison de la très forte réduction des défauts dans le GaN. Pour des compositions en indium importante, les puits sont polarisés selon [11-2-3], comme le montrent des calculs. Puis des nanostructures de GaN sur (Al,Ga)N émettant dans l’UV ont été déposées par épitaxie par jets moléculaires (MBE) sur des tremplins de GaN. Enfin des LEDs semipolaires émettant du vert au rouge ont été étudiées par électroluminescence.

This thesis concerns the epitaxial growth by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) of semipolar (11-22) oriented nitride layers grown on sapphire. GaN layers of high crystalline quality were obtained using two techniques. The first one is an original epitaxial lateral overgrowth (ELO) process favoring the growth in the [0001] direction, thus enabling an efficient blocking of stacking faults at the coalescence boundaries. The second technique consists in the selective epitaxy from c-plane micro-facets obtained by chemical etching of an r-plane sapphire substrate. An ELO layer was studied by photoluminescence (PL) and reflectivity as a function of polarization and temperature. GaN is polarized along [1-100]. The calculations in k. P theory allowed us to fit the experimental PL results. Then polar and semipolar (In,Ga)N layers have been developed. SIMS analysis shows that the incorporation of indium is greater in semipolar layers. These layers present a high Stokes-shift while that of polar layers is very low. The results on (In,Ga)N/GaN quantum wells grown on GaN template and ELO GaN showed that ELO improves the PL emission intensity by a factor of 3, weak as compared to the strong defects reduction in the ELO GaN. For large indium contents, the quantum wells are polarized along [11-2-3], as shown by the calculations. GaN nanostructures on (Al, Ga)N emitting in UV range were deposited by molecular beam epitaxy (MBE) on GaN templates. Finally semipolar LEDs emitting from green to red were studied by electroluminescence.