Développement de LEDs rouges en matériaux III-V (type GaAs) directement épitaxié sur silicium 300mm

Development of red LEDs in III-V materials (-GaAs-based) directly grown on silicon 300mm

• Auteur / Autrice : Pauline Gaillard
• Direction : Thierry Baron, Christophe Jany
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• 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 : Kuntheak Kheng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bœuf
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Bouchoule, Bruno Masenelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Diodes électroluminescentes

Germanium

Silicium -- Couches minces

Mots clés libres

ΜLEDs rouge

Iii-V

GaAs

Silicium

Épitaxie directe

Germanium sur silicium

Red µLEDs

Iii-V

GaAs

Silicon

Direct epitaxy

Germanium on silicon

Résumé

Ce travail de thèse présente le développement de diodes électroluminescentes (LEDs) rouges à base de matériaux III-V (arséniures et phosphures de gallium) directement épitaxiées sur silicium 300 mm. L’intérêt grandissant des développements des LEDs RVB s’explique par l’explosion de nouvelles applications utilisant des micro-écrans pour la réalité virtuelle et augmentée. Ces composants doivent posséder une forte brillance afin d’être visibles dans un environnement pouvant être très lumineux, et une haute définition d’image réalisée par des pixels de plus en plus petits : seules les micro-LEDs peuvent répondent à ces critères. Ici, l’intérêt est porté sur les LED inorganiques, et en particulier les émetteurs rouges qui sont, des 3 couleurs, les plus complexes à développer. Ces LEDs rouges peuvent être élaborées à partir de couches de conversion de couleur sur GaN, d’InGaN sur GaN ou d’arséniures et phosphures sur GaAs. Ce dernier étant le système le plus efficace et mature pour la production de la couleur rouge. L’intégration de dispositifs optoélectroniques III-V à plus grande échelle et à plus faible coût est cruciale au vu de l’augmentation exponentielle de la demande de ces émetteurs optiques. L’hétéroépitaxie de matériaux III-V sur substrat de silicium permet totalement de répondre à ces deux points clés. Cependant, cette hétéro-intégration entraîne la formation de nombreux défauts dûs à la différence de caractéristiques cristallographiques entre les matériaux III-V et le silicium. Une solution adaptée dans ces travaux consiste en l’intégration d’une couche tampon de germanium entre le substrat de silicium et les matériaux III-V utiles. Une première structure LEDs à base d’AlGaAs sur un substrat de silicium 300 mm a été optimisée par simulation d’ingénierie de bande pour obtenir une émission à 650 nm. Les caractérisations électro-optiques de ces dispositifs ont cependant montré des résultats d’efficacité quantique externe de quatre ordres de grandeur inférieurs aux exigences des micro-écrans. Pour l’améliorer, deux autres structures avec une zone active en InGaP/AlGaInP ont été entièrement développées pour une émission à 645 nm et 695 nm. Une émission rouge a été obtenue avec un pompage électrique pour chaque structure élaborée. Ainsi, la possibilité de réaliser des LEDs rouges directement épitaxiées sur silicium 300 mm a été démontrée.

This work presents the development of red light-emmitting-diodes (LEDs) with III-V materials (gallium arsenides and phosphides) directly grown on 300 mm silicon wafers. The growing interest in the development of RGB LEDs is due to the explosion of new applications using microdisplays for virtual and augmented reality. These components must have a high brightness in order to be visible in an environment that can be very bright, and high image definition achieved by increasingly small pixels: only micro-LEDs can meet these criteria. Here, the interest is focused on inorganic LEDs, and particularly on red emitters which are, from the 3 colors, the most complex to develop. These red LEDs can be developed from color conversion layers on GaN, InGaN on GaN or arsenides and phosphides on GaAs. The latter being the most efficient and mature system for the production of red color. The integration of larger scale and lower cost III-V optoelectronic devices is crucial in view of the exponential increase in demand for these optical emitters. Heteroepitaxy of III-V materials on silicon substrate fully addresses these two key points. However, this hetero-integration leads to the formation of many defects due to the difference in crystallographic characteristics between III-V materials and silicon. An adapted solution in this work consists in the integration of a germanium buffer layer between the silicon substrate and the useful III-V materials. A first LED structure based on AlGaAs on a 300 mm silicon substrate has been optimized by band engineering simulation to obtain an emission at 650 nm. However, electro-optical characterizations of these devices showed external quantum efficiency results four orders of magnitude below the requirements of microdisplays. To improve it, two other structures with an active area in InGaP/AlGaInP were fully developed for emission at 645 nm and 695 nm. A red emission was obtained with an electrical pumping for each developed structure. Thus, the possibility of realizing red LEDs directly epitaxial on 300mm silicon has been demonstrated.