Nanostructures GaN pour l'émission dans l'ultraviolet

par Abdelkarim Kahouli

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Massies.

Soutenue en 2012

à Nice , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) .

mots clés

• Nitrure de gallium -- Thèses et écrits académiques
• Stark, Effet -- Thèses et écrits académiques
• Champs électriques -- Thèses et écrits académiques
• Nanostructures -- Thèses et écrits académiques
• Épitaxie par faisceaux moléculaires -- Thèses et écrits académiques
• Photoluminescence -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Ce travail concerne la croissance par épitaxie sous jets moléculaires, les propriétés structurales et optiques de nanostructures GaN polaires (0001) et semi-polaires (11 2 2) dans une matrice d’Al0,5Ga0,5N. Le but de ce travail est d’améliorer l’efficacité radiative des nitrures dans le domaine UV. Nous avons tout d’abord étudié la croissance et les propriétés de boîtes quantiques GaN/Al0,5Ga0,5N polaires. Ces structures ont la particularité d’être soumises à un fort champ électrique interne de l’ordre de 3500 kV/cm. Ce champ est responsable du décalage vers le rouge des énergies de transition des boîtes quantiques ainsi que de la réduction de leur force d’oscillateur lorsque leur hauteur augmente. Nous nous sommes intéressés également à la croissance de nanostructures GaN/Al0,5Ga0,5N (11 2 2) semi-polaires. Ces nanostructures ont une forme anisotrope, elles sont allongées et alignées suivant la direction [1100]. Nous avons ensuite étudié et comparé les propriétés optiques des nanostructures en fonction de leur orientation. Cette étude nous a permis d’estimer une valeur du champ électrique interne dans les nanostructures semi-polaires de 450 kV/cm seulement. La conséquence de ce faible champ électrique est une émission décalée dans l’ultraviolet (310 - 340 nm), une largeur à mi-hauteur étroite de l’ordre de 90 meV ainsi qu’une durée de vie radiative courte (330 ps). Finalement, nous démontrons pour la première fois une diode électroluminescente à base de boîtes quantiques GaN/Al0,5Ga0,5N polaires émettant dans l’UV (380 nm).

Titre traduit

GaN nanostructures for the UV-emission

Résumé

This work deals with the growth, the structural and optical properties of polar (0001) and semi-polar (11 2 2) GaN nanostructures grown in an Al0. 5Ga0. 5N matrix by molecular beam epitaxy. The aim of our work was to improve the radiative efficiency of nitrides in the UV range. First, we have studied the growth of polar GaN/Al0. 5Ga0. 5N quantum dots (QDs). We found that the quantum dot structures are affected by a strong electric field (3500 kV/cm) responsible for a large redshift of the QD transition energies and a large reduction of the oscillator strength when the nanostructure height increases. Next, we have studied the growth of the semipolar GaN/Al0. 5Ga0. 5N (11 2 2) nanostructures. The nanostructures, which have an anisotropic shape, are elongated and aligned along the [1100] direction. We have performed time resolved and integrated photoluminescence experiments in order to evaluate the internal electric field. We found a small electric field value of 450 kV/cm. Accordingly, the optical properties are improved compared to the polar case. An emission in the UV range (310 – 340 nm), a narrow line width (90 meV) and a small radiative lifetime (330 ps) are obtained. Finally, a first demonstration of a UV light emitting diode (LED) using polar GaN/Al0. 5Ga0. 5N QDs was done.