Molecular beam epitaxy growth and characterization of nanowires based InGaN/GaN heterostructures for the realization of microLEDs devices.
Elaboration par épitaxie par jets moléculaires et caractérisation d'hétérostructures nanofilaires InGaN/GaN pour la réalisation de dispositifs microLEDs
Résumé
Currently, III-Nitrides semiconductor based micro-LEDs (µLEDs) are a source of constant interest from industry, since they should become the new components which will be integrated in the next generation of display and augmented reality applications. By comparison with the competing OLEDs (Organic LEDs) and LCDs (Liquid Crystal Displays), the µLED technology should make possible displays exhibiting lower power consumption, higher lifetime and better image resolution. However, manufacturing of such devices is extremely expensive, and their light emission efficiency is so far very limited, in particular for red-light emission. Thus, this technology is still immature and non-marketable. In this context, nanowires based InGaN µLEDs allowing one to emit RGB pixel light (Red, Green, Blue), appear promising to improve the performances of this technology. In order to optimize this target, this PhD work focuses on the identification, the limitation and the quantification of non-radiative defects responsible of the nanowires µLEDs droop efficiency. To this end, a full study was made on nanowires based InGaN/GaN heterostructures, combining the material elaboration by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and its optical, chemical, structural and electrical properties characterization. The first chapter of this manuscript consists of a state of the art of the nitrides materials properties as well as of the devices used for the visible light emission. The second chapter introduces the nanowires elaboration and characterization methods used during this PhD. The third chapter is devoted to the identification and removal of non-radiative recombination centers limiting the nanowires luminescence efficiency. Using several optical characterization techniques, such as cathodoluminescence (CL) and micro-photoluminescence (µPL), we show that the addition of an (In)GaN UL inside the nanowires structure significantly improves their optical properties. The surface recombination impact is also studied for various visible emission wavelengths. The combination of these improvements is characterized by a significant increase of the Internal Quantum Efficiency (IQE) of our structures. Using time-correlated cathodoluminescence (TC-CL), a source of non-radiative defects, reflected in the luminescence inhomogeneity at the nanowire scale and for which the density is dependent of the nanowire diameter, is identified. Its origin is studied in the fourth chapter. A statistical analysis of CL intensities at the NW scale, combined with the development of a model allowed us to identify the nature of this defect responsible of the luminescence inhomogeneity previously observed, and to quantify it. A study based on the growth parameters variation confirmed the nature of these non-radiative defect identified with the model. This manuscript ends with a chapter presenting the electrical properties of the LEDs devices composed of the studied heterostructures. In order to remove the sources of electrical losses observed, some solutions are proposed.
Les micro-LEDs (µLEDs) composées de semi-conducteurs nitrures III-N font aujourd’hui l’objet d’un intérêt croissant auprès des industriels, pour leur potentiel à devenir dans les prochaines années les nouveaux composants constituant les écrans de la nouvelle génération des applications d’affichage et de réalité augmentée. En comparaison avec ses concurrentes OLEDs (LEDs organiques) et LCDs (écrans à cristaux liquides), la technologie µLED devrait permettre la réalisation d’écrans de plus faible consommation énergétique, ayant une plus longue durée de vie et une meilleure résolution d’image. Cependant, la réalisation de tels dispositifs est extrêmement coûteuse et leur efficacité pour l’émission de lumière est pour l’heure fortement limitée, en particulier pour la couleur rouge (ou émission dans le rouge), rendant cette technologie encore immature et non-commercialisable pour le grand public. Dans ce contexte, l’utilisation de µLEDs à nanofils à base d’InGaN, qui permet de réaliser l’émission de lumière des trois couleurs composant un pixel (bleu, vert et rouge), peut être une voie prometteuse pour améliorer les performances de cette technologie. Dans cet objectif, ce travail de thèse porte sur l’identification, la limitation et la quantification des défauts non-radiatifs responsables de la perte d’efficacité des µLEDs à nanofils. Pour ce faire, une étude complète des hétérostructures nanofilaires à puits quantiques InGaN/GaN a été réalisée, couplant leur élaboration par épitaxie par jets moléculaires (MBE) et la caractérisation de leurs propriétés optiques, chimiques, structurales et électriques. Le premier chapitre de ce manuscrit propose un état de l’art recensant les propriétés des matériaux nitrures ainsi que des dispositifs utilisés pour l’émission de lumière visible. Le second chapitre introduit les méthodes d’élaboration et de caractérisations des nanofils utilisées au cours de ce travail de thèse. Le troisième chapitre est consacré à l’identification et à la suppression des centres de recombinaisons non-radiatifs limitant l’efficacité de luminescence des nanofils. A l’aide de multiples techniques de caractérisations optiques, telles que la cathodoluminescence (CL) et la micro-photoluminescence (µPL), on montre que l’ajout d’une UL d’(In)GaN au sein des nanofils améliore significativement leurs propriétés optiques. L’impact des recombinaisons de surface est étudié pour différentes longueurs d’onde d’émission du visible. L’association de ces améliorations se caractérise notamment par une augmentation significative de l’efficacité quantique interne (IQE) de nos structures. L’utilisation de la cathodoluminescence corrélée en temps (TC-CL) à l’échelle du fil unique, a permis l’identification d’une source de défauts non-radiatifs introduits durant la croissance des hétérostructures, qui se traduit par une luminescence inhomogène au sein d’un même fil, et dont la densité varie en fonction du diamètre des nanofils. L’origine de ce défaut non-radiatif a été étudiée plus en détail dans le quatrième chapitre. Une analyse statistique à l’échelle du fil unique des intensités de CL associée au développement d’un modèle a permis d’émettre des hypothèses solides sur la nature de ce défaut responsable de l’inhomogénéité de luminescence observée, et de le quantifier. Une étude basée sur la modification des paramètres de croissance des nanofils, a confirmé la nature du défaut non-radiatif identifié par le modèle. Ce manuscrit se conclue par un chapitre présentant les propriétés électriques des dispositifs LEDs composés des hétérostructures nanofilaires étudiées. Des pistes sont proposées afin de supprimer les sources de pertes électriques observées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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| Licence |