Propriétés optiques et structurales de dispositifs luminescents contenant des puits quantiques (In,Ga)N à forte concentration en Indium et émettant dans le vert et le jaune

Structural and optical characterization of green-yellow light emitting devices with high indium concentrated (In,Ga)N quantum wells

• Auteur / Autrice : Sakhawat Hussain
• Direction : Philippe Vennéguès, Benjamin Damilano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Guy Feuillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Vennéguès, Benjamin Damilano, Guy Feuillet, Catherine Chaillout-Bougerol, Robert Martin, Amélie Dussaigne, Nikolay Cherkashin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Chaillout-Bougerol, Robert Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Microscopie électronique en transmission

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Mots clés libres

MOCVD

InGaN/(Al)GaN PQs

Microscopie électronique à transmission

Photoluminescence à température ambiante

Vert-jaune LEDs

MOCVD

InGaN/(Al)GaN QWs

Transmission electron microscopy

Room temperature photoluminescence

Green-yellow LEDs

Résumé

Le but de cette thèse a été d'étudier les propriétés structurales et optiques de puits quantiques (PQs) d’InGaN/(Al)GaN obtenus par épitaxie en phase vapeur d’organométalliques. Différentes approches ont été mises en œuvre pour atteindre une émission dans le vert-jaune: la première utilisant une concentration d'indium ≥ 20% avec un PQ d’InGaN d’épaisseur <3.0 nm et vice versa. L'effet d'une couche d’encapsulation a également été étudié. Les techniques de microscopie à force atomique, de diffraction des rayons X, de photoluminescence (PL) et surtout de microscopie électronique à transmission (MET) ont été utilisées pour caractériser ces structures. Les épaisseurs des PQs et les compositions en indium ont été déterminées par le traitement numérique des franges de réseau dans les images MET haute résolution en section transverse. Un traitement original a été développé pour analyser quantitativement les fluctuations de l’épaisseur des PQs. L'analyse structurale des PQs ayant une composition en In élevé a montré que les défauts structuraux sont créés dans les PQs. La nature et la densité de ces défauts ont été déterminées et différents mécanismes pour leur formation ont été proposés. Il a également été montré que quelques monocouches d’encapsulation de GaN ou d’AlGaN déposées à la température de croissance des PQs limitent l’évaporation et/ou la diffusion d’indium. Ce procédé permet d’étendre la longueur d'onde d'émission avec une réduction de la dégradation de l'efficacité de la PL. Mon travail propose quelques pistes afin d'obtenir un bon compromis entre les paramètres contradictoires qui régissent l'efficacité des PQs émettant dans le vert-jaune.

The goal of this thesis was to study the structural and optical properties of InGaN/(Al)GaN multiple QWs grown by metal organic chemical vapor deposition. Different approaches have been implemented to achieve green-yellow emission: high indium concentration (≥ 20%) with low InGaN QW thickness (< 3 nm) or vice versa. Moreover, the effect of a capping layer on top of the QWs has also been investigated. Atomic force microscopy, X-ray diffraction, room temperature photoluminescence (RTPL) and mainly transmission electron microscopy (TEM) techniques have been used to characterize these structures. The QW thicknesses and indium compositions have been determined by digital processing of lattice fringes in cross-sectional high resolution TEM images. An original treatment has been developed to analyze quantitatively InGaN QW thickness fluctuations. The structural analysis of multiple QWs with high indium composition has shown that structural defects are created in the QWs. The nature and the density of these defects have been determined and different mechanisms for their formation have been proposed. It has also been shown that a few monolayers of AlGaN or GaN capping layers deposited at the InGaN QW growth temperature prohibited indium evaporation and/or diffusion. It therefore helps to extend the emission wavelength with a reduced degradation of the RTPL efficiency. My work offers a few ways to obtain a good compromise between the conflicting parameters that govern the efficiency of QWs emitting in the green-yellow spectrum range.