Nanostructures (Ga, In, AI)N : croissance par épitaxie sous jets moléculaires, propriétés optiques, applications aux diodes électroluminescentes
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This work deals with the molecular beam epitaxt (MBE) growth of (Ga,In,Al)N nanostructures in wurtzite phase on sapphire or silicon substrate using NH, as nitrogen source and with the study of their optical properties in view of optoelectronic applications. Several kinds of low dimensional structures were grown : GaN/(Al,Ga)N and (Ga,In)N/GaN quantum wells (QW), GaN/AlN and (Ga,In)N/GaN quantum boxes (QB). These structures are affected by a very strong electric field. The quantum confined Stark effect resulting from this electric field induces an important red shift of the QW and QB transition energies and a large oscillator strength reduction. It is shown that to limit the radiative efficiency losses, it is necessary to trap the excitons into QB or other localizing centers (like potential fluctuations in (Ga,In)N). In order to validate this material analysis, blue to orange multiple-QW (Ga,In)N/GaN light emitting diodes (LED) have been grown. It is demonstrated that combining (Ga,In)N/GaN QW with different widths inside the LED active region leads to white light emission.
Abstract FR:
Ce travail concerne la croissance par épitaxie sous jets moléculaires avec NH3 comme source d'azote et l'étude des propriétés optiques de nanostructures (Ga,In,Al)N hétéroépitaxiées dans leur phase wurtzite sur substrat saphir ou silicium en vue d'applications optoélectroniques. Plusieurs types de structures de basse dimensionnalité ont été épitaxiées : puits quantiques GaN/(Al,Ga)N et (Ga,In)N/GaN, boîtes quantiques GaN/AlN et (Ga,In)N/GaN. Ces structures ont la particularité d'être soumises à un champ électrique interne considérable. L'effet Stark confiné quantique, qui résulte du champ électrique, se manifeste par un fort décalage vers le rouge de l'énergie d'émission des puits et boîtes quantiques, mais aussi par une réduction importante de la force d'oscillateur optique. Il apparaît que pour limiter la perte d'efficacité radiative due à l'effet Stark et aux nombreux défauts cristallographiques, il est nécessaire de piéger les excitons dans des boîtes quantiques ou d'autres centres localisant (comme des fluctuations de potentiel importantes dans (Ga,In)N). Afin de valider les analyses déduites de l'étude matériaux, nous avons élaboré des diodes électroluminescentes (DEL) à puits quantiques multiples (Ga,In)N/GaN qui émettent du bleu à l'orange. Nous montrons que la combinaison dans la zone active d'une DEL de puits quantiques d'épaisseurs différentes permet d'obtenir de la lumière blanche.