Amélioration de l'incorporation d'indium dans zone active à base d'InGaN grâce à la croissance sur pseudo-substrat InGaN pour l'application à la DEL blanche monolithique

In incorporation improvement in InGaN based active region using InGaN pseudo substrate for monolithic white LED application

• Auteur / Autrice : Armelle Even
• Direction : Ivan-Christophe Robin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 27/02/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Grandjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Mariette, Adrian Avramescu, Amélie Dussaigne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Lefebvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Indium

Diodes électroluminescentes

Points quantiques

Mots clés libres

DEL

GaN

InGaN

Monolithic emission de lumière blanche

Semi-Conducteurs

LED

GaN

InGaN

Monolithic emission of white light

Semi-Conductors

Résumé

Les Diodes Electroluminescentes (DEL) à base de composés III-nitrures sont très efficaces pour les longueurs d’ondes correspondant à la couleur bleue. Ces DELs bleues sont très utilisées sur le marché car leur combinaison avec des phosphores produit une lumière blanche. Néanmoins, cette approche a plusieurs inconvénients tels que l’instabilité de la température de couleur ou les pertes liées à la conversion. Dans ce contexte la DEL blanche monolithique dont la lumière blanche est obtenue directement dans la zone active grâce à l’émission des puits quantiques à différentes longueurs d’ondes est envisagée.Pourtant, lorsque la longueur d’onde d’émission augmente, le rendement d’émission des puits quantiques InGaN/GaN diminue. Ceci est problématique pour l’application de la DEL blanche monolithique mais également pour l’application micro-display qui nécessite idéalement des DELs monochromatiques bleues, vertes et rouges fabriquées à partir de la même famille de matériaux. Ce problème est principalement du à la différence importante de paramètre de maille entre les puits quantiques InGaN et la couche GaN sur saphir utilisée comme substrat qui provoque une forte contrainte compressive. Cette contrainte est à l’origine d’un champ électrique interne dans les puits quantiques, préjudiciable au rendement d’émission, et d’un taux d’incorporation d’indium faible bien qu’originellement thermodynamiquement difficile.Cette thèse de doctorat propose de résoudre ce problème en réalisant la croissance de la DEL sur un pseudo-substrat InGaN appelé InGaNOS fabriqué par Soitec.Après avoir identifié les limitations des structures InGaN/GaN sur substrat GaN sur sapphire classique pour l’émission efficace à grande longueur d’onde, des structures « tout-InGaN » ont été crues par EPVOM sur substrats InGaNOS. Il a été démontré que la contrainte était partiellement relaxée et que l’incorporation d’indium était plus facile. Grâce à des caractérisations optiques et structurelles fines, les différentes étapes depuis la reprise de croissance InGaN jusqu’à la DEL complète ont été étudiées. En photoluminescence (PL), la longueur d’onde de 617 nm a été atteinte à température ambiante. Les performances optiques de ces structures de puits quantiques dans les régions spectrales correspondant au vert, jaune et ambre ont été mesurées et sont comparables aux meilleures valeurs de la littérature. Enfin, la croissance de la première DEL « tout InGaN » sur substrat InGaN a révélé les challenges restants qui nécessiteront des développements complémentaires.

Light emitting diodes (LEDs) based on nitride materials are very efficient in the blue range. These blue LEDs combined with phosphors are used to manufacture white LEDs widely used in the lighting market. Nonetheless, this converted approach presents some disadvantages , like an instability of the color temperature or conversion losses. In this context, the white monolithic LED which produces the white color thanks to different emission wavelengths produced from quantum wells (QWs) placed in the active region is one of the considered solution.However, as emission wavelength increases the quantum efficiency of the InGaN based QWs decreases. This is problematic for the white monolithic application but also for micro-display application which both ideally requires red, green and blue monochromatic LEDs grown in the same material system. This issue is mainly due to the great lattice mismatch between the InGaN QW and the GaN layer on sapphire substrate which induces an important compressive strain. This strain is responsible for a strong internal electric field in the QWs, which is detrimental for the quantum efficiency, and for low indium incorporation rate in GaN, originally thermodynamically difficult.This PhD thesis proposes to tackle this issue by growing the LED on an InGaN pseudo-substrate called InGaNOS manufactured by Soitec.After identifying the limitations of InGaN based structures grown on regular GaN on sapphire substrate for efficient long wavelength emission, full InGaN structures were grown by MOCVD on InGaNOS substrates. It was shown that the strain was partially released and the indium incorporation was made easier. Through fine structural, optical and electrical characterizations, the different steps leading from the InGaN buffer regrowth stage to the complete processed LED were studied. PL emission wavelengths up to 617 nm were reached at room temperature. The optical performances of these MQW structures in the green, yellow and amber range were measured to be comparable to the best ones achieved in the literature. Finally, the growth of the first full InGaN LED structure on InGaN substrate revealed the remaining challenges that will require some additional developments.