Développement de matériaux à base de nitrures d'aluminium et application à la réalisation de diodes électroluminescentes ultraviolettes

Development of aluminium nitride based materials and application to the fabrication of ultraviolet light emitting diodes

• Auteur / Autrice : Aly Zaiter
• Direction : Julien Brault, Guillaume Cassabois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Salvestrini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Brault, Guillaume Cassabois, Jean-Paul Salvestrini, Christophe Durand, Sylvie Contreras, Mohamed Al Khalfioui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Salvestrini, Christophe Durand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Microscopie à force atomique

Diodes électroluminescentes

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Points quantiques

Nitrures

Mots clés libres

III-nitrures

AIN

(Al,Ga)N

Boîtes quantiques

Épitaxie par jets moléculaires

Nitrure de bore hexagonal

Jonction tunnel

Diodes électroluminescentes

Microscopie à force atomique

Diffraction de rayons X

Électroluminescence

III-nitrides

AIN

(Al,Ga)N

Quantum dots

Molecular beam epitaxy

H-BN

Tunnel junction

LEDs

Atomic force microscopy

X-ray diffraction

Electroluminescence

Résumé

Cette thèse aborde la croissance épitaxiale de l'alliage (Al, Ga)N en utilisant des approches innovantes telles que le recuit à haute température et la croissance sur des matériaux lamellaires dits ‘'2D'', dans le but d'améliorer la qualité structurale des couches pour la fabrication de diodes électroluminescentes (DEL) efficaces.Ce travail débute par une analyse approfondie de l'effet de recuit post-croissance à haute température sur les couches fines d'AlN (100 - 200 nm) déposées sur substrats de saphir. Une recette de recuit optimisée a été développée en utilisant un premier procédé sous azote (N2) et un second sous hydrogène (H2) et azote (N2). De fortes améliorations de la morphologie de surface et des propriétés cristallines ont été obtenues, se traduisant par la réduction des valeurs de largeur à mi-hauteur (FWHM) des pics de diffraction de rayons X pour les plans symétriques et asymétriques, tandis que la morphologie de surface a évolué d'une morphologie de surface dominée par des grains à une morphologie lisse à l'échelle atomique. Ensuite, la croissance de l'AlN sur des tremplins de h-BN sur saphir par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et recuit post-croissance a été explorée. Un contrôle de la température est nécessaire afin d'éviter la diffusion du h-BN et la formation d'(Al, B)N qui entravent la possibilité d'exfoliation de la couche d'AlN. Une couche d'AlN épitaxiée sur un tremplin d'AlN / h-BN recuit a montré une amélioration notable de la morphologie de surface et de la structure cristalline.Ensuite, nous avons étudié la croissance de DELs UV standard par épitaxie en phase vapeur (EPV) sur des tremplins d'AlN recuits, ce qui a conduit à une meilleure qualité structurale et optique des DELs avec des rendements quantiques externes (RQE) d'environ 0,3%, soit dix fois supérieurs aux DELs UV à jonction tunnel (JT) réalisées précédemment à cette étude. Ce travail s'est poursuivi par une analyse comparative de la croissance de DELs UV standard et de DELs UV basées sur des boîtes quantiques (BQs) d'(Al, Ga)N à jonction tunnel par EJM, où l'incorporation de JT a entraîné une amélioration remarquable de la puissance optique. Pour une densité de courant de 10 A.cm-2, la puissance optique des DELs standard a atteint 30 µW, tandis que celle des DELs à JT a atteint une puissance de 240 µW, ce qui représente une augmentation d'un facteur huit. De plus, une augmentation significative du RQE des DELs UV à JT par rapport au RQE des DELs UV standard, atteignant une valeur maximale de 0,65%, a montré une augmentation huit fois plus élevée du RQE. Suite à ce travail, des structures à BQs AlyGa1-yN/AlxGa1-xN émettant dans la gamme UV-C ont été développées sur des tremplins de h-BN/saphir par EJM en utilisant des épaisseurs de h-BN de 3 nm et 6 nm. Les propriétés structurales des couches d'Al0.7Ga0.3N ont été étudiées, montrant l'impact des couches de h-BN sur la croissance de l'(Al, Ga)N pour laquelle la direction de croissance du tremplin est conservée, mais qui peut présenter deux orientations différentes dans le plan de croissance. Des BQs avec une émission dans la gamme UV-C et avec des rapports d'intensité intégrée de photoluminescence (PL) indiquant une différence d'un facteur 10 entre les émissions à température ambiante et à basse température ont été obtenues. Ensuite, la structure de BQs épitaxiée sur h-BN a été exfoliée à l'aide d'un simple ruban adhésif. Les mesures de PL attestent de l'émission dans l'UV-C des BQs exfoliées. Le transfert de la structure exfoliée sur un substrat SiO2/Si via un second transfert au ruban adhésif a démontré une efficacité de transfert de 50 %.Enfin, la démonstration d'une DEL à base de BQs AlyGa1-yN sur un tremplin de h-BN de 1,5 nm sur saphir, émettant également dans la gamme UV-C, a été réalisée.

This research project encompasses the epitaxial growth of (Al, Ga)N coupled with innovative approaches such as high-temperature annealing and growth on 2D materials, aimed at improving the quality of heterostructures for efficient light-emitting diodes (LEDs) emitting in the ultra-violet (UV) range.The investigation commences with an in-depth analysis of face-to-face post-growth high-temperature annealing on physical vapor deposited (PVD) AlN layers on sapphire substrates. Optimal annealing recipe that fosters enhanced crystalline quality and surface morphology involving nitrogen (N2) and hydrogen (H2) + nitrogen (N2) has been developed. Significant improvements in surface morphology and crystalline properties have been achieved. This is evident in the reduction of full width at half maximum (FWHM) values for symmetric and skew symmetric planes, while the surface morphology underwent a transition from a grain-dominated to a smooth atomic step morphology. The exploration extended to the growth of AlN on h-BN through molecular beam epitaxy (MBE) and post-growth annealing, a previously unreported study. Despite the initial rough surface and low crystalline quality, improvements were observed by increasing AlN layer thickness and performing high-temperature annealing. However, a limitation in the used temperature is required to avoid a diffusion of h-BN from the interface with sapphire through the AlN region, forming an (Al, B)N alloy within the AlN layer, which prohibits any possibility of later exfoliation. Yet, a regrown AlN layer on the annealed AlN / h-BN template resulted in an improved layer characterized by a smooth surface morphology and significantly improved crystalline structure.Next, we have studied the growth of standard UV LEDs by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) on the annealed AlN PVD templates, which resulted in better LEDs structural and optical qualities with external quantum efficiencies (EQE) around 0.3%, which was ten times higher than the EQE obtained for tunnel junction (TJ) UV LEDs done in a previous work by our group. The study continued with the comparative analysis of the growth of standard and TJ (Al, Ga)N QDs-based UV LEDs by MBE, where the incorporation of TJs has resulted in a remarkable enhancement of the optical power. For instance, at a current density of 10 A.cm-2, the Popt for a standard p-n LED reaches 30 µW, while for the TJ based LED, it significantly rises to 240 µW, representing an eightfold increase. Furthermore, a significant increase in the EQE for the TJ UV LED compared to the EQE of the standard UV LED was found, with a maximum value of approximately 0.65%, marking an eightfold increase in the EQE. Moreover, AlyGa1-yN QDs/AlxGa1-xN emitting in the UV-C range have been grown on h-BN / sapphire templates by MBE using two different h-BN thicknesses of 3 nm and 6 nm. The structural properties of Al0.7Ga0.3N layers have been studied showing an impact of the h-BN layers on the subsequent structures in the form of a growth orientation guidance, leading to the formation of two different orientations in the growth plane. The QDs showed an emission in the UV-C and the integrated PL intensity ratios indicated a 10 times reduction between room and low temperature, respectively. Next, the QDs structure grown on 6 nm h-BN underwent a successful exfoliation by scotch-tape. Photoluminescence measurements attested to the preserved UV-C emission from the exfoliated QDs. Transferring the exfoliated structure to an SiO2 / Si substrate via dry transfer demonstrated a transfer efficiency of 50%.Finally, the demonstration of an AlyGa1-yN QDs-based light emitting diode prototype fabricated on a 1.5 nm h-BN on sapphire template, emitting in the UV-C range, was shown.