Fabrication de µLEDs à base de GaN semi-polaire sur des substrats SOI

Fabrication of semipolar GaN-based µLEDs on SOI substrates

• Auteur / Autrice : Beatrice Wannous
• Direction : François Templier, Fabian Rol, Pierre-Marie Coulon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Maria Tchernycheva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Geneviève Chadeyron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Diodes électroluminescentes

Semiconducteurs

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Semi-Conducteurs

Nitrure de gallium

Semi-Polaire

GaN

Micro-LEDs

Semipolar

Gallium Nitride

Micro-LEDs

Semiconductors

GaN

Résumé

L'orientation semi-polaire (10-11) a le potentiel d'améliorer les performances des micro-LED InGaN/GaN et donc de profiter au domaine des écrans et des micro-écrans. La réduction du champ électrique interne dans les puits quantiques dans cette orientation, devrait réduire la perte d’efficacité des µLEDs lorsque leur dimension diminue mais aussi augmenter leur performance à fort courant d’injection. De plus, cette orientation devrait permettre d'incorporer plus d'indium, permettant des émissions à plus grande longueur d'onde. Enfin, la fabrication d'un substrat deGaN (10-11) à partir d'un wafer SOI patterné dans lequel le Si est désorienté de 6° offre une solution compatible 200mm, contrairement aux autres substrats existants (GaN freestanding...).Ce travail décrit les étapes qui ont conduit à la réalisation des premières µLEDs semi-polaires fonctionnelles de 4x4µm² sur des substrats SOI en utilisant la technique d'Aspect-Ratio-Trapping (ART). Un travail intensif a consisté à optimiser la fabrication et la croissance du template GaN semi-polaire (10-11) à partir de substrats SOI-ART patternés. Le contrôle précis des conditions de croissance des puits quantiques et du dopage n et p du GaN a permis la croissance d'une épistructure LED semi-polaire. Un process flow a été développé pour réaliser la première fabrication de µLED semi-polaires de taille allant de 200x200 à 4x4µm². Enfin, des caractérisations électro-optiques et structurelles ont été réalisées sur ces µLEDs afin de corréler leurs caractéristiques avec les propriétés de la structure épitaxiale initiale.

The semipolar orientation (10-11) has the potential to improve the performance of InGaN/GaN micro-LEDs and thus benefit the field of displays and microdisplays. The reduction in the internal electric field in quantum wells, along this orientation, should reduce the loss of efficiency of µLEDs as their size decreases, but also increase their performance at high injection currents. In addition, this orientation should make it possible to incorporate more indium, enabling emission at longer-wavelength. Finally, the fabrication of a (10-11) GaN substrate from patterned SOI in which the Si is 6° disoriented offers a 200mm-compatible solution, unlike other existing substrates (GaN freestanding...).This work describes the steps that led to the realization of the first functional 4x4µm² semi-polar µLEDs on SOI substrates while implementing the Aspect-Ratio-Trapping (ART) technique. Intensive work involved optimizing the fabrication and growth of the (10-11) semipolar GaN template from patterned SOI-ART substrates. Precise control of quantum well growth conditions and GaN n and p doping enabled the growth of semi-polar LED epistructure. An LED process flow was developed to achieve the first fabrication of semipolar µLEDs ranging between 200x200 and 4x4µm². Finally, electro-optical and structural characterizations were conducted on the fabricated µLEDs to correlate their characteristics with the obtained epitaxial structure properties.