Jonctions tunnel dans les hétérostructures des matériaux nitrures pour applications optoélectroniques
Institution:
Université Côte d'AzurDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Tunnel junctions provide an alternative solution to issues that limit the efficiency of ultraviolet light emitting diodes, such as the high resistivity of p-doped AlGaN layers and the resulting poor hole injection. The objective fo this thesis is the optimization of GaN and AlGaN based tunnel junction LED structures and their structural and optoelectronic characterization. The growth of a JT LED entirely by MOCVD is industrially appealing, but the p-doped (Al)GaN layers developed by this technique suffer from the repassivation of the Mg acceptors by the hydrogen present in the growth chamber. We have tried and succeeded to minimize this problem by modifying the growth conditions of the tunnel junction. Positive results have been achieved on blue LEDs, in particular with GaN tunnel junctions including an InGaN interlayer that increases its tunnel transparency. However, this all MOCVD process seems difficult to optimize and its extension to AlGaN materials difficult. Thanks to a hybrid MOCVD+MBE growth approach, p-doped GaN and AlGaN layers can be obtained with active Mg acceptors while taking advantage of high quality active regions provided by MOCVD. With a GaN-based hybrid JT, we have been able to obtain, with both Si and Ge, higher levels of n++ doping than those of the MOCVD JTs, thus significantly reducing the operating voltage of the devices. The strong Ge doping of the GaN layers allowed us to obtain electron densities of the order of 5x1020cm-3 with state-of-the-art mobilities and resistivities, without introducing a strong constraint in the network. In the second part of this work, we have developed AlGaN-based JTs doped with Ge on UV LEDs by gradually changing their Al concentration up to a value of 70%. In the UV range, the JTs become of paramount importance by increasing the injection efficiency without compromising light extraction. High levels of Ge doping have been obtained leading to thin junctions as shown by electronic holography. Even if the voltage drops introduced by the use of JTs remain significant (a few volts), the injection of out-of-equilibrium holes allows for a significant increase of the injection efficiency in the LED leading to a strong increase of the quantum efficiency of these devices.
Abstract FR:
Les jonctions tunnel apportent une solution alternative aux problèmes qui limitent l'efficacité des diodes électroluminescentes émettant dans l’ultraviolet, notamment la forte résistivité des couches d’AlGaN dopées p et la mauvaise injection de trous qui en résulte. L’objectif de cette thèse est l'optimisation des structures LED à jonction tunnel à base de GaN et d’AlGaN et leurs caractérisations structurales et optoélectroniques. La croissance d'une LED à JT entièrement par MOCVD est attrayante sur le plan industriel, mais les couches de (Al)GaN dopées p développées par cette technique souffrent de la repassivation des accepteurs de Mg par l’hydrogène présent dans la chambre de croissance. Nous avons essayé et réussi à minimiser ce problème en modifiant les conditions de croissance de la jonction tunnel. Des résultats positifs ont été atteints sur des LED bleues, notamment avec des jonctions tunnel GaN comprenant une couche intercalaire en InGaN qui augmente sa transparence tunnel. Cependant, ce procédé tout MOCVD semble délicat à optimiser et son extension aux matériaux AlGaN difficile. Grâce à une approche de croissance hybride MOCVD+MBE, des couches de GaN et d'AlGaN dopées p peuvent être obtenues avec des accepteurs Mg actifs tout en profitant des régions actives de haute qualité fournies par le MOCVD. Avec un JT hybride à base de GaN, nous avons pu obtenir, aussi bien avec le Si qu’avec le Ge, des niveaux de dopage n++ plus élevés, que ceux des JT MOCVD, ce qui a permis de réduire considérablement la tension de fonctionnement des dispositifs. Le fort dopage Ge des couches de GaN a permis d'obtenir des densités électroniques de l’ordre de 5x1020cm-3 avec des mobilités et des résistivités à l’état de l’art, sans introduire une forte contrainte dans le réseau. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons développés des JT à base d’AlGaN dopées Ge sur des LEDs UV en modifiant progressivement leur concentration d’Al jusqu'à une valeur de 70 %. Dans la gamme des UV, les JT deviennent d'une importance capitale en augmentant l'efficacité de l'injection sans compromettre l'extraction de la lumière. Des forts niveaux de dopage Ge ont été obtenus conduisant à des jonctions fines comme le montre l’holographie électronique. Même si les chutes de tension introduites par l'utilisation des JT restent notables (quelques volts), l’injection de trous hors équilibre permet une augmentation significative de l’efficacité d’injection dans la LED conduisant ainsi à une forte augmentation de l'efficacité quantique des dispositifs.