Fabrication, Modélisation, Caractérisation de Nanostructures AlGaN Auto-Assemblées pour Emetteurs UV – NANOGANUV

Les matériaux à base de nitrure de gallium (GaN) connaissent un développement considérable et constituent la technologie dominante dans de nombreuses applications optoélectroniques dans le visible. En particulier, le développement de lasers et diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ont conduit au développement des « LEDs blanches » et de la technologie « Blu-Ray ». L’étape suivante, qui représente un des défis les plus importants pour les LEDs nitrures, est de reproduire dans l’ultra-violet (UV), c-à-d en dessous de 360 nm, les performances obtenues dans le bleu. En effet, les matériaux AlxGa1-xN, qui permettent de couvrir la gamme spectrale de 360 nm à 200 nm, sont bien adaptés pour devenir la prochaine technologie UV, en remplacement des lampes à vapeur de mercure, qui souffrent de problèmes environnementaux (toxicité) et de limitations techniques (grandes tailles, faibles efficacité et durée de vie, etc.).
Cependant, l’efficacité quantique interne (EQI) des LEDs UV – donnée par le produit de l’efficacité de recombinaison radiative (ER) par l’efficacité d’injection (EI) – décroit rapidement vers les courtes longueurs d’onde. Par conséquent, l’objectif général du projet NANOGANUV est de développer des solutions alternatives aux technologies actuelles développées et adoptées par la majorité des laboratoires de R&D, concernant deux éléments clefs d’une structure LED AlxGa1-xN :
- 1) la zone active (dont dépend ER) ;
- 2) la région de type p (dont dépend EI).
Actuellement, ER et EI sont limitées dans l’AlxGa1-xN par, respectivement, les fortes densités de défauts et l’augmentation de l’énergie d’ionisation des dopants avec l’augmentation de la concentration en Al. Dans ce dernier cas, le verrou principal concerne le dopage de type p.
Trois approches différentes seront développées afin d’améliorer l’EQI :
- 1) l’utilisation de boîtes quantiques (BQs), via l’Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM, technique la plus mature pour leur élaboration). En effet, grâce au confinement spatial selon 3 dimensions (D) au lieu du confinement spatial 1D obtenu par l’utilisation de puits quantiques, les BQs conduisent à une forte augmentation de l’ER en réduisant l’influence des défauts;
- 2) l’optimisation du dopage Mg dans l’AlxGa1-xN par EJM, technique qui a permis d’obtenir les concentrations de porteurs les plus élevées dans GaN (proches de 10^19 / cm^3). Afin d’atteindre les conditions optimales de dopage et les caractéristiques électriques associées, le développement d’une cellule d’évaporation de haute stabilité dédiée au Mg sera également réalisé;
- 3) l’utilisation de substrats massifs d’AlN et le développement d’un four de croissance à haute température pour améliorer la qualité structurale d’AlxGa1-xN. Ces deux approches permettront de déterminer le potentiel de l’EJM pour l’obtention de couches AlxGa1-xN à faible densité de dislocations.
L’ambition du projet est de développer une nouvelle voie pour la fabrication de LEDs UV à l’aide de solutions innovantes à l’échelle nanométrique, incluant modélisation, fabrication et ingénierie quantique de nanostructures, et micro/macroscopique, via l’étude des propriétés optiques et de transport, afin d’identifier, concevoir et assembler les briques de base pour la fabrication de sources UV à base de BQs.
Le but final est de fabriquer des LEDs fonctionnant entre 260 et 360 nm. Cette gamme de longueurs d’onde (couvrant une région spectrale s’étendant de l’UV-A à l’UV-C) devrait permettre de viser différentes applications, allant de la photopolymérisation à la photothérapie médicale, la purification de l’air et de l’eau. A la fin du projet, les diodes présentant les meilleures performances seront assemblées et montées dans des dispositifs LEDs afin de réaliser, via des sociétés spécialisées, une série de tests sur des bancs de mesure en fonction de l’application visée (définie par la longueur d’onde des différents prototypes fabriqués).