Hétérostructures polaires et non polaires à base de nitrure de gallium épitaxiées sur ZnO pour applications optoélectroniques

par Yuanyang Xia

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Massies et de Julien Brault.

Le jury était composé de Julien Brault, Oliver Brandt, Guy Feuillet, Xavier Wallart, Marc De Micheli.


  • Résumé

    Ce travail concerne l'intégration, par épitaxie sous jets moléculaires (EJM), de matériaux nitrures d’éléments III (en particulier GaN) sur des substrats et couches tremplins à base d’oxyde de zinc (ZnO). L’objectif était la réalisation et l’étude d’hétérostructures nitrures de type puits quantiques (PQs) (Al,Ga)N/GaN et (In,Ga)N/GaN, en vue d’évaluer leurs potentialités pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). En particulier, deux orientations cristallographiques ont été étudiées : le plan « polaire » (0001) (dit plan C) et le plan « non polaire » (11-20) (dit plan A). Les couches de GaN orientées suivant le plan A (11-20), « a-GaN », ont été épitaxiées sur des tremplins de (Zn, Mg)O (11-20) / saphir (10-12) réalisés par EJM. L’anisotropie de la morphologie de surface, de la microstructure cristalline, ainsi que de l'émission optique des couches de a-GaN, a été mise en évidence. Une série d'échantillons de PQs de a-(GaN/Al0.2Ga0.8N) avec des épaisseurs de puits différentes a été fabriquée, et l'absence d’effet Stark quantique confiné dans ces hétérostructures a été établie. Des procédés de croissance de GaN sur des substrats de ZnO massifs d’orientation A, « a-ZnO », et C, « c-ZnO », ont également été développés. En particulier, des couches de GaN (0001), « c-GaN », avec une polarité Ga- ou N- ont été épitaxiées sur la face O de substrats c-ZnO. Les mécanismes de détermination de la polarité ont été analysés. Des LEDs bleues contenant une zone active constituée de PQs (In, Ga)N / GaN ont été réalisées sur des substrats c-ZnO. Des puissances de sortie atteignant 40 µW à 20 mA et 0,1 mW à 60 mA ont été mesurées. Enfin, des PQs (In, Ga)N / GaN ont été fabriqués sur substrats a-ZnO et comparés à des PQs fabriqués sur c-ZnO avec des conditions de croissance équivalentes. Les résultats indiquent une concentration en In plus importante dans le cas des PQs épitaxiés sur c-ZnO et une polarisation de l’émission de PL suivant la direction <1-100> dans le cas des PQs épitaxiés sur a-ZnO.

  • Titre traduit

    GaN based polar and nonpolar heterostructures grown on ZnO for optoelectronic applications


  • Résumé

    This work focus on the integration of III-nitride materials, by molecular beam epitaxy (MBE), on ZnO based templates and substrates. The objective is to explore the potential of (Al,Ga)N/GaN and (In,Ga)N/GaN multi-quantum wells (MQWs) grown on ZnO for the fabrication of light emitting diodes (LEDs). In particular, two crystal orientations are studied: the polar (0001) plane (c-plane) and the nonpolar (11-20) plane (a-plane). The structural and optical properties of epitaxial layers are mainly characterized by AFM, SEM, XRD, TEM and PL. A-plane (11-20) GaN layers have been grown on a-(Zn,Mg)O/r-sapphire templates by MBE. The surface morphology, the crystal microstructure, as well as the optical emission of a-GaN layers show strong anisotropic properties. A series of a-plane Al0.2Ga0.8N/GaN MQWs with different well thicknesses have been fabricated and the absence of quantum confined Stark effect in these nonopolar heterostructures has been evidenced. Processes of growing GaN on both c- and a- plane bulk ZnO substrates have been developed. In particular, GaN layers with either Ga- or N- polarities have been grown on O face ZnO, and their polarity determination mechanisms have been analyzed. (In,Ga)N/GaN MQWs based blue LEDs have been demonstrated on c- ZnO substrates. Output powers of 40 µW at 20 mA and 0.1 mW at 60 mA have been measured. Finally, a-plane (In,Ga)N/GaN MQWs are fabricated on bulk a-ZnO substrates and compared with c-plane MQWs grown under similar conditions. PL measurements indicate that a-plane MQWs exhibit a lower In incorporation efficiency and a polarized emission along <1-100> direction.


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