la recherche des propriétés optiques et électriques sur les nanofils LEDs et photodétecteur

the research of optical and electrical properties on nanowire LED and photodetector

• Auteur / Autrice : Hezhi Zhang
• Direction : Maria Tchernycheva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies
• Date : Soutenance le 10/05/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : François Julien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Julien, Ulrich Schwarz, Guilhem Larrieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ulrich Schwarz, Guilhem Larrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Capteurs optiques

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

Nanlfils

Led

Photodetecteur

Nanowires

Led

Photodetector

Résumé

Dans ce manuscrit, je présente mon travail dédié à la réalisation et à la caractérisation des émetteurs et détecteurs de lumière à base de nanofils de nitrures. Je détaille la fabrication des dispositifs utilisant des outils de nanofabrication à l’état de l’art, ainsi que l'étude de leurs propriétés électriques et optiques.Le premier chapitre résume brièvement les propriétés de base des semi-conducteurs nitrures et décrit les méthodes d’élaboration des nanofils. Dans le deuxième chapitre, je présente mon travail sur la fabrication et la caractérisation de LED à nanofil unique InGaN/GaN ayant un contact transparent en graphène pour l’injection des trous. L'électroluminescence des LEDs à nanofils uniques montre l'impact de la forme du contact sur les propriétés d'émission. En particulier, la position du contact détermine l'évolution spectrale avec le courant d'injection. À savoir, pour un contact étendu et un contact localisé sur le plan m, l’émission passe du vert au bleu en fonction du courant d’injection alors que pour un contact localisé sur la jonction entre le plan m et le plan semipolaire l'émission reste verte.Dans le troisième chapitre, je décris la fabrication et la caractérisation des LEDs à nanofils uniques fabriqués à partir d'une matrice de nanofils verticaux avec une morphologie des contacts identique à celle mise en œuvre pour les LEDs à base d’ensemble de nanofils. L'émission montre une évolution similaire à celle observée pour les LEDs à nanofils uniques avec un contact latéral. L’influence de la morphologie des contacts sur l'électroluminescence ouvre la possibilité de contrôler la couleur d'émission de la LED à l'étape de la fabrication. J'ai utilisé un traitement par plasma de fluor afin de réduire la conductivité de la coquille GaN dopé p et d’inhiber l'injection électrique dans la région riche en In du puits quantique. En outre, j'ai analysé l'effet de l’inhomogénéité d'injection. Afin d'améliorer l’homogénéité, j'ai développé un système de contact par le haut permettant d’injecter les électrons directement dans la sous-couche n-GaN. Les LEDs fabriquées selon cette procédure montrent un rendement amélioré avec 65% de nanofils actifs contre 19% pour une procédure standard.Le dernier chapitre est consacré à l'étude des photodétecteurs à nanofils de nitrure. Je décris d'abord la fabrication et la caractérisation d'un photodétecteur de rayonnement ultraviolet basé sur un ensemble de nanofils de GaN avec un contact transparent en graphène. Ensuite, des détecteurs à nanofils uniques InGaN / GaN ont été fabriqués fonctionnant dans la gamme spectrale du visible à ultraviolet. L'influence de la morphologie de contact est également étudiée en comparant deux types de contacts, à savoir un contact métallique localisé et un contact étendu en oxyde d'indium-étain (ITO). Dans la dernière partie, je présente une technique pour la fabrication de photodétecteurs flexibles basée sur des ensembles de nanofils verticaux et je discute leurs performances.

In this manuscript, I present my work dedicated to the realization and characterization of nitride nanowire light emitters and detectors. I detail the device fabrication using state-of-the-art nanofabrication tools as well as the investigation of their electrical and optical properties.First chapter briefly summarizes the nitride semiconductor basic properties and discusses the present status of nanowire elaboration. In the second chapter, I present my work on the fabrication and in-depth characterization of single nanowire InGaN/GaN LEDs with a transparent graphene contact for hole injection. Reference single wire LEDs with metal contacts are also investigated for comparison. The electroluminescence of single nanowire LEDs evidences the impact of the contact layout on the emission properties. In particular, the position of the contact determines the spectral evolution with injection current. Namely, for an extended contact and a contact localized on the m-plane, a transition from the green to blue emission is observed whereas for a localized contact on the m-plane/semipolar plane junction the emission remains green.In the third chapter, I describe the fabrication and characterize single wire LEDs made out of a vertical NW array with the contacting scheme identical to array LEDs. The emission shows a similar evolution as the lateral-contacted single nanowire LEDs. The dependence of the electroluminescence on the contact morphology opens the way to control the LED emission color at the device processing stage. I used fluorine plasma treatment to reduce the conductivity of the p-doped GaN shell for inhibiting the electrical injection in the In-rich region of the quantum well. Furthermore, I analyze the injection inhomogeneity effect. In order to avoid this effect, I developed a top down contacting scheme with electrons injected directly into n-GaN underlayer, which is called “front contacting” process. The “front contacting” LEDs show an enhanced yield of active nanowires from 19% to 65%.The last chapter is dedicated to the study of nitride nanowire photodetectors. I first describe the fabrication and characterization of a GaN ultraviolet (UV) photodetector based on a NW array with a transparent graphene contact. Moreover, single NW InGaN/GaN detectors were fabricated operating in the visible to ultraviolet spectral range. The influence of the contact morphology is also investigated by comparing two types of contacts, namely a partial metal contact and an indium tin oxide (ITO) conformal contact, respectively. In the last part, I present an up-to-date technique for fabricating flexible photodetectors based on vertical NW arrays and I discuss their performances.