Hétérostructures Non Polaires Intégrées à base d’Oxydes (II-O) et de Nitrures (III-N) pour applications optoélectroniques – HENOPOIN2

L’objectif du projet est de développer une nouvelle voie pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques à base de semiconducteurs «grands gaps» (en particulier les Diodes Electroluminescentes –DELs–), fondée sur l’intégration d’hétérostructures constituées de matériaux oxydes d’éléments II (ZnO et alliages) et nitrures d’éléments III (GaN et alliages). En effet, bien que la part des DELs pour les applications à l’éclairage, réalisées à partir de GaN, soit en forte augmentation chaque année (le marché global est estimé à 8 milliards $ US en 2012), les technologies d’éclairage par sources solides sont encore coûteuses et les rendements pas assez élevés. Ainsi, un domaine de longueurs d’onde reste difficilement accessible en raison de la faible efficacité des DELs : le vert (> 500 nm). Une raison principale vient de la structure cristalline des DELs : elles sont fabriquées selon une direction polaire qui conduit à la présence d’un champ électrique interne dans leur zone active (constituée de puits quantiques (PQ)) et à l’effet Stark quantique confiné (ESQC). Cet effet induit une importante réduction de la probabilité de recombinaison radiative et également à une forte dépendance de la longueur d’onde en fonction du courant injecté. L’utilisation d’orientations cristallographiques, dites non- et semi-polaires, a alors été envisagé. Dans ce contexte, ce projet a pour ambition de développer une technologie alternative, pour la réalisation de DELs vertes, qui permettra de résoudre les trois verrous technologiques actuels: 1) La présence du champ électrique interne. 2) Les propriétés structurales des matériaux qui contiennent de très fortes densités de fautes d’empilements quand le Saphir est utilisé comme substrat. La présence de ces défauts particuliers empêche toute réalisation de composant efficace. 3) La rareté, les faibles dimensions et le coût prohibitif des substrats GaN non et semi polaires. Cette technologie est fondée sur l’utilisation d’un nouveau matériau, le ZnO non (semi) polaire : -comme substrat pour la réalisation de dispositifs nitrures non et semi polaires -comme substrat pour la fabrication d’hétérostructures à base de ZnO. Contrairement au GaN, les substrats massifs de ZnO non (semi) polaires sont disponibles avec d’excellentes propriétés structurales et un prix abordable. Ces substrats représentent ainsi une solution unique au développement de DELs en raison des propriétés exceptionnelles du ZnO vis-à-vis du GaN : paramètres de maille très proches, faible différence de coefficients de dilatation thermique, sélectivité chimique… De plus, les substrats ouvrent la voie à l’homoépitaxie d’hétérostructures à base de ZnO. De telles structures à très faible densité de défauts seront également étudiées comme solution alternative pour la réalisation de DELs à forts rendements radiatifs émettant dans le vert. A la fin du projet, l’expertise acquise et les résultats obtenus seront utilisés comme blocs de base à la réalisation de démonstrateurs de DELs. En conclusion, ce projet a pour dessein de d’associer épitaxie des oxydes et des nitrures par l’utilisation de différentes méthodes technologiques, de caractérisations et permettre la réalisation de premières DELs associant nitures et oxydes. Ainsi la finalité du projet est de donner vie à un groupe de recherche travaillant sur une thématique latente au CRHEA : « Orientation non- et semi- polaire des grands gaps » en associant de jeunes chercheurs, travaillant dans des domaines d’expertise complémentaires. En effet, une telle structure est fondamentale et nécessaire pour permettre de réelles avancées dans le domaine de l’intégration des nitrures et des oxydes pour l’optoélectronique. La situation du CRHEA dans ce domaine est unique en France et exceptionnelle ailleurs.