Etude et optimisation de l’étape de passivation des µLED bleues GaN-InGaN

Study and optimization of the passivation step of blue GaN-InGaN µLEDs

• Auteur / Autrice : Corentin Le Maoult
• Direction : Etienne Gheeraert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Grandjean, Christophe Vallée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Georges Brémond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Passivité (chimie)

Optoélectronique

Semiconducteurs

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Passivation

Physique des semiconducteurs

Optoélectronique

Μled

Passivation

Semiconductor physics

Optoelectronics

Μled

Résumé

La µLED à base de nitrure de gallium (GaN) constitue un candidat de choix pour répondre aux spécifications des nouvelles applications de réalité augmentée, et pourrait également trouver sa place dans une gamme plus large d’applications à plus grande échéance. Cependant, le ratio périmètre-surface élevé des µLED les rend très sensibles aux défauts de bords générés, en particulier, par la gravure de pixellisation. Des étapes de post-traitement des flancs des µLED, relevant du domaine de la passivation de surface, doivent donc être implémentées et optimisées, afin de minimiser la chute d’efficacité à laquelle les µLED inorganiques sont confrontées plus généralement. C’est ce qui constitue la problématique de cette thèse, traitant plus spécifiquement de µLED bleues à base de GaN/InGaN.En premier lieu, cette thèse s’est efforcée d’identifier les pistes les plus prometteuses pour la passivation des µLED GaN à partir de la littérature. Ensuite, des caractérisations physico-chimiques ont permis d’étudier l’effet de traitements chimiques ou encore de dépôts d’alumine par méthodes ALD (Atomic Layer Deposition) sur les propriétés de surface de l’InGaN, le matériau constituant la zone active des µLED. Certains comportements spécifiques ont pu être observés, notamment après des traitements avec de l’acide chlorhydrique ou du sulfure d’ammonium, plutôt efficaces pour réduire la quantité d’indium en surface, ou encore l’oxydation de ce dernier. Cependant, un traitement avec de l’ammoniaque serait plus favorable à une bonne nucléation de la couche ALD de passivation, toute aussi importante pour la qualité de l’interface. Cela a pu être étayé par des caractérisations électriques C-V (capacité-tension) de condensateurs MIS (métal-isolant-semiconducteur), qui ont permis de souligner une forte réduction de la densité d’états d’interface peu profonds entre une couche ALD d’alumine et du n-GaN, par l’ajout d’un simple prétraitement avec l’ammoniaque avant dépôt (plus de 98% de réduction). Enfin, à l’aide d’une méthodologie d’étude en cycles courts, des caractérisations de cathodoluminescence ont permis de comparer l’effet de plus d’une vingtaine de variantes différentes de passivation sur les propriétés de luminescence de mésas µLED de 4µm. L’étude a permis d’illustrer l’efficacité d’une gravure chimique avec de l’hydroxyde de potassium combinée à un dépôt ALD d’alumine, mais également celle de l’alternative très prometteuse que constitue la passivation en bicouche nitrure d’aluminium/alumine. Dans les deux cas, l’émission était nettement plus homogène sur la surface des mésas : la zone « critique » à luminescence atténuée en périphérie de µLED était réduite de près de 50% et 65%, respectivement.

The gallium nitride (GaN) µLED is a prime candidate to meet the specifications of new augmented reality applications and could also find its place in a wider range of applications in the longer term. However, the high perimeter-to-surface ratio of µLEDs makes them very sensitive to edge defects generated by pixelation etching. Therefore, passivation post-treatment steps of the µLEDs sidewalls must be implemented and optimized in order to minimize the decrease in efficiency that inorganic µLEDs are facing more generally. This constitutes the problematic of this thesis, dealing more specifically with GaN/InGaN blue µLEDs.First, this thesis has attempted to identify the most promising path for the passivation of GaN µLEDs from the literature. Then, physicochemical characterizations allowed to study the effect of chemical treatments or alumina deposition by ALD (Atomic Layer Deposition) methods on the surface properties of InGaN from µLEDs active region. Some specific behaviors have been observed especially after treatments with hydrochloric acid or ammonium sulfide, rather effective in reducing the amount of indium on the surface, or even oxidation of the latter. However, an ammonia treatment would be more favorable to enhance ALD passivation layer nucleation, which is just as important for the quality of the interface. This could be supported by C-V (capacitance-voltage) electrical characterizations of MIS (metal-insulator-semiconductor) capacitors, which highlighted a strong reduction in the density of shallow interface states between an alumina ALD layer and n-GaN by adding a simple pretreatment with ammonia prior to deposition (over 98% reduction). Finally, using a short cycle study methodology, cathodoluminescence characterizations were used to compare the effect of more than twenty different passivation variants on the luminescence properties of 4µm µLED mesas. The study illustrated the effectiveness of chemical etching with potassium hydroxide combined with ALD alumina deposition, but also of the very promising aluminum nitride/alumina bilayer passivation alternative. In both cases, the emission was significantly more homogeneous across mesas surfaces : the "critical" area with attenuated luminescence at the µLED periphery was reduced by nearly 50% and 65%, respectively.