Analyse de la structure locale et propriétés optiques de semiconducteurs nitrures pour le développement des diodes électroluminescentes efficaces au-delà du vert.

Analysis of the local structure and optical properties of nitrides semiconductors for LEDs beyond the green wavelength range

• Auteur / Autrice : Nicolas Chery
• Direction : Pierre Ruterana, Magali Morales
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Kociak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ruterana, Magali Morales, Mathieu Kociak, Maria Tchernycheva, Philippe Vermaut, Jun Chen, Marco Schowalter, Benjamin Damilano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Philippe Vermaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Défauts

Rayons X -- Diffraction

Microscopie électronique en transmission

Puits quantiques

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Semiconducteurs III-V

III-V semiconductors

Quantum wells

Transmission electron microscopy

X-ray diffraction

Defects

Résumé

Les puits quantiques InGaN/GaN montrent la plus grande efficacité connue dans le bleu-UV et le défi actuel dans ce type de matériau est de pousser leur émission vers les grandes longueurs d’ondes. Ceci serait possible en augmentant la composition en indium, mais il faut alors gérer les contraintes résultantes. Ce travail a mis en œuvre la microscopie électronique en transmission et la diffraction des rayons X pour déterminer la composition chimique à l’intérieur des couches InGaN, le taux de relaxation et le type de défauts présents. Les résultats montrent qu’il n’y a pas de fluctuations de composition en indium dans les couches d’InGaN étudiées avec des taux d’indium de l’ordre de 20%. Ainsi, la différence d’émission des échantillons pourrait s’expliquer par la variation d’épaisseur des puits quantiques InGaN et laprésence de défauts. En effet, plusieurs types de défauts ont été observés et caractérisés tels que les pinholes ou des domaines de défauts plans selon leur origine. Dans les multicouches InGaN/GaN avec couches AlGaN compensatrices de contrainte,la diffraction des rayons X a montré que lorsque l’épaisseur des couches d’AlGaN augmente en gardant constante l’épaisseur entre les couches actives d’InGaN (avec une valeur d’environ 16-17 nm), les puits quantiques sont totalement contraints dans le plan de croissance et en dehors. Par microscopie électronique, nous montrons queleur relaxation se fait par formation aussi bien de défauts en domaines plans que de dislocation de type a. Ces dislocations se propagent des pits quantiques vers la surface, et la densité des défauts augmente avec l’épaisseur des couches d’AlGaN.

InGaN/GaN quantum wells show the highest known emission efficiency in UV-blue and the current challenge is to push to longer wavelengths. This would be possible by increasing the indium composition but the challenge becomes how to handle the resulting strains. This work has combined transmission electron microscopy and Xray diffraction in order to determine the relaxation rates, the local chemical composition and defects formation in these systems. The results show that there are no composition fluctuations in these InGaN layers where the indium content was around 20%. Therefore, the differences in emission may be explained by the changes in quantum wells thicknesses and/or the presence of defects. Indeed, several types of defects have been observed and characterized, such as pinholes or planar defect domains. For InGaN/GaN quantum wells with strain compensating AlGaN layers, Xray diffraction showed that, when the AlGaN layer thickness increases, keeping constant the spacing between InGaN layers (around 16-17 nm), the quantum wellsare totally strained in and out the growth plan. Using transmission electron microscopy, it is shown that the relaxation occurs through the formation of domains as well as a type dislocations. The dislocations propagate from the quantum well tothe surface and the density of the defects increases with the thickness of the AlGaN layers.