Optimisation d’hétéro-structures à multipuits quantiques InGaN sur sous-couche InGaN pour diodes electroluminescentes émettant dans le domaine spectral bleu-vert

par Saiful Alam

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdallah Ougazzaden et de Ivan-Christophe Robin.

Soutenue le 16-05-2018

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec GTL-CNRS télécom (Metz) (laboratoire) .

Le président du jury était Evelyne Gil.

Le jury était composé de Christian Brylinski, Eva Monroy, Pierre Lefebvre, Régine Maillard, David J. Rogers.

Les rapporteurs étaient Christian Brylinski, Eva Monroy.


  • Résumé

    Les diodes électroluminescentes (DEL) à base de GaN ont déjà été commercialisées comme solution économique d’éclairage, étant donné que les multi-puits quantiques (MQW) basés sur InGaN/GaN peuvent être conçus pour produire de la lumière dans toute la gamme spectrale visible. Pour obtenir une émission de lumière blanche, la conversion à base de phosphore conduit à une faible efficacité due à la perte de Stokes et peut également produire un faible indice de rendu des couleurs (IRC). Par conséquent, pour une efficacité élevée et une lumière blanche avec un IRC élevé, la génération de lumière blanche par combinaison rouges-vertes-bleues (RGB) est nécessaire. La DEL bleue basée sur InGaN/GaN présente une bonne performance aujourd'hui. La DEL rouge à base de III-phosphure est également très efficace. Cependant, avec des longueurs d'onde intermédiaires pour l'émission de spectre vert, l'efficacité des dispositifs diminue avec l'augmentation de la composition d’indium (In) dans la région active à cause de l'épitaxie selon la direction de GaN communément utilisée (0001-Ga). Ce «green-gap» est le principal obstacle pour obtenir une DEL blanche sans phosphore. Les structures DEL non ou semi-polaires pourraient être une solution pour réduire ou omettre le problème de polarisation, cependant, une croissance plus facile de bonne qualité cristalline avec moins d'étapes de fabrication font que la croissance de la direction (0001-Ga) est toujours commercialement prometteuse. Par conséquent, une conception de structure optimisée pour atténuer la polarisation et augmenter l'émission optique provenant d'hétéro-structures élaborées dans cette direction de croissance est toujours demandée. Les structures de DEL classiques multi-puits quantiques (MQW) InGaN/GaN sont développées sur une template GaN et utilisent du GaN comme couches barrières. Cependant, notre objectif a été de faire croître des MQW à contenu élevé avec des barrières InGaN sur une nouvelle template InGaN appelé «semi-bulk» (SB). La réalisation de la thèse est de simuler, décroître par épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE) et de fabriquer la structure de DELs à haute teneur en In dans les barrières MQW avec InGaN, crues sur une template InGaN «semi-bulk» de haute qualité, et qui émettent dans le spectre du bleu au vert

  • Titre traduit

    High Indium Concentration InGaN Multi-Quantum-Well-Based Blue-Green Light-Emitting Diodes Grown on InGaN “Semi-Bulk” Buffer


  • Résumé

    GaN-based light-emitting diodes (LEDs) have already been commercialized for solid-state lighting, since the InGaN/GaN-based multi-quantum-well (MQW) of LEDs can be designed to produce light in the entire visible spectral range. To obtain white LED, phosphor-based down-conversion results in low efficiency due to Stokes loss and also can yield low colour rendering index (CRI). Hence, for highly efficient and with high CRI white light, generation of white light by monolithic red-green-blue (RGB) combination is necessary. InGaN/GaN-based blue LED has good performance now-a-days. III-phosphides based red LED has also achieved good efficiency. However, with intermediary wavelengths for green spectra emission, the efficiency of devices from epitaxy grown along the commonly used (0001-Ga) direction of GaN decreases with increasing indium (In) content in the active region and this “green-gap” is the main obstacle to get phosphor-free white LEDs. Non- or semi-polar LED structures could be a solution to reduce or omit the polarization problem, however, easier growth of good crystal quality and fewer processing steps make (0001-Ga) direction growth still commercially promising. Therefore, optimized structure design to alleviate polarization and enhance optical emission from hetero-structures grown along this direction growth is still in demand. The conventional InGaN multi-quantum-well (MQW) LED structures are grown on GaN buffer and use GaN as barrier layers. However, the objective of this thesis has been to grow high In-content MQWs with InGaN barriers on a novel so called “semi-bulk” (SB) InGaN buffer. The achievement of the thesis was to simulate, grow by metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE) and process LED structure with high In-content in the MQW with InGaN barriers, grown on high quality “semi-bulk” InGaN buffer, that will emit in the blue to green spectra. 70 nm thick high crystal quality InGaN SB buffer was obtained with 5% In-content. On top of this, In0.15Ga0.85N/In0.05Ga0.95N MQW was grown followed by 200 nm optimized p-GaN. The room temperature IQE was 67.5% at 460 nm emission wavelength. The processed LED chips yielded turn-on voltage less than 3 V with leakage current of ~10-3 A. In0.25Ga0.75N/ In0.05Ga0.95N MQW was also realized on InGaN SB with 7% In, with emission peak at ~530 nm


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