Étude théorique de la faisabilité des LED à base de ZnGeN2

Theoretical study and feasibility of ZnGeN2-based LED

• Auteur / Autrice : Mélanie Rolles
• Direction : Bérangère Hyot, Valérie Brien, Patrice Miska
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Vilcot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bérangère Hyot, Valérie Brien, Alain Rolland, Maria Tchernycheva, Benjamin Damilano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Rolland, Maria Tchernycheva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Puits quantiques

Nitrures

Semiconducteurs à large bande interdite

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

Nitrures

Semiconducteurs

ZnGeN2

LED verte

Simulation TCAD

Green LED

Semiconductors

Nitride

ZnGeN2

Simulation

Résumé

Le développement de LED à base de nitrures représente un enjeu important tant sur le plan scientifique qu’industriel et sociétal. De par leur large bande interdite, les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures d’éléments III (composés III-N) tels que le GaN et ses alliages sont de très bons candidats pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques nouveaux. Néanmoins, ces systèmes présentent bon nombre de limitations, principalement dues à l’évolution des propriétés de l’InGaN lorsque la concentration d’indium augmente. Les effets de contrainte et de polarisation affectent la qualité du matériau et donc l’émission spontanée de la LED en général. De plus, dans un contexte de raréfaction des ressources naturelles, l’utilisation de l’indium, matériau rare et cher, doit se faire de manière raisonnée. Or les systèmes actuels (micro-écran, dispositifs portatifs, ...) requièrent des LED toujours plus puissantes et riches en Indium. Le but est aujourd’hui d’obtenir des LED haute performance, avec un bon rendu de couleurs et surtout à moindre coût en utilisant des matériaux alternatifs. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce sujet de thèse qui consiste en l’étude théorique du matériau ZnGeN2 et de son introduction au sein d’une structure LED. L’idée est ici de créer un puits quantique de type II InGaN-ZnGeN2 afin d’augmenter l’efficacité des zones d’actives et ainsi de réaliser des LED pouvant opérer sur une large gamme de longueurs d’ondes allant de l’IR à l’UV. Cette approche permet de diminuer la quantité d’indium dans les LED et ainsi de créer des structures moins onéreuses avec un matériau de meilleure qualité. Le ZnGeN2 dérive des nitrures d’éléments III en remplaçant le groupe III alternativement par un élément du groupe II (Zn) et du groupe IV (Ge). Les énergies de gap et le paramètre de maille de ZnGeN2 sont très proches de ceux du GaN. De plus, les organisations cristallographiques sont similaires et le large décalage de bande entre InGaN et ZnGeN2 autorise la formation d’une hétérostructure du type II InGaN/ZnGeN2. L’insertion d’une couche de ZnGeN2 dans une structure classique de puits quantique GaN/InGaN aboutit à des modifications significatives : le fort confinement des trous dans la couche de ZnGeN2 autorise l’utilisation d’une quantité moindre d’indium dans le puits. Dans le puits quantique de type II InGaN/ZnGeN2 une fine couche d’AlGaN est utilisée comme barrière pour un meilleur confinement. L’ensemble permet d’obtenir un meilleur recouvrement des fonctions d’ondes électron-trou comparé à celui obtenu dans le cas d’une LED classique. Au cours de la thèse nous présenterons les résultats des simulations des différentes structures LED avec puits quantique de type-II. Nous étudierons des structures LED pour des émissions dans le vert et le rouge. Différentes géométries de LED seront développées en faisant varier la position et l’épaisseur de la couche de ZnGeN2. Nous utiliserons ici le logiciel de simulation SILVACO/ATLAS avec le modèle k.p à six bandes pour le calcul de la structure de bandes, qui prend en compte les effets de tension, l’enchevêtrement des bandes de valence ainsi que les polarisations spontanées et piézoélectriques

Nitride LEDs development presents significant scientific and societal issues. The aim is to get low-cost, high efficiency LEDs with accurate color-rending (typically the Color Rending Index has to be higher than 90). Due to their large band gap (from 0.8 to 6.2 eV), III-N materials, as GaN and alloys, are still used for LEDs development. Nevertheless, they present several huge limitations mainly due to the evolution of InGaN properties for higher Indium concentrations. Strain and polarization effects affect then the LED quality through the reduction of the spontaneous emission. New high-performance devices require the development of new materials and the introduction of ZnGeN2 layers could be an alternative solution. We report here on a new green and red-emitting light emitting device (LED) architecture containing only 16% of indium. The structure is based on the use of a new type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. Type II InGaN-ZnGeN2 quantum wells (QWs) were proposed for the improvement of efficiency in active regions and realizing then devices operating in a large wavelength range from UV to IR. The zinc germanium nitride (ZnGeN2) is a new promising semiconductor for optoelectronic devices such as LED or photovoltaic cells due to its large, direct, and adjustable band gap, most particularly considered to overcome the green-gap issue in LED technology. ZnGeN2 derives from the III-nitride elements by replacing the III-group alternatively by a group II (Zn) and a group IV (Ge). Both the energy band gap and the lattice parameters of ZnGeN2 are very close to those of GaN. The crystallographic organizations are similar and the recently predicted large band offset between GaN and ZnGeN2 allows the formation of a type-II InGaN-ZnGeN2 heterostructure. Studies of ZnGeN2 based quantum well behaviors are scarce and no information on the overall electro-optical operation of such LED is available. We simulate here with SILVACO/ATLAS the complete behavior of a green and red LED structures in which the active region is a type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. A thin AlGaN layer is used as a barrier for a better carrier confinement. The position and the thickness of the ZnGeN2 layer are parameters used to examine the luminous and electrical behavior as well as the external quantum efficiency of this LED compared to a standard InGaN-based LED emitting at the same wavelength. Inserting a ZnGeN2 layer in a conventional type-I InGaN QW structure yields significant modifications. The strong confinement of holes in the ZnGeN2 layer allows the use of a lower In-content InGaN QW with uniform In content. We demonstrate a significant enhancement of the spontaneous emission and the possibility to reach both a better quantum efficiency and light output when using the type-II structure. The self-consistent 6-band k.p method is used to perform the band structure calculations, which consider the effect of strain, the valence band mixing, and the spontaneous and piezoelectric polarizations