Ce travail concerne l'intégration, par épitaxie sous jets moléculaires (EJM), de matériaux nitrures d’éléments III (en particulier GaN) sur des substrats et couches tremplins à base d’oxyde de zinc (ZnO). L’objectif était la réalisation et l’étude d’hétérostructures nitrures de type puits quantiques (PQs) (Al,Ga)N/GaN et (In,Ga)N/GaN, en vue d’évaluer leurs potentialités pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). En particulier, deux orientations cristallographiques ont été étudiées : le plan « polaire » (0001) (dit plan C) et le plan « non polaire » (11-20) (dit plan A). Les couches de GaN orientées suivant le plan A (11-20), « a-GaN », ont été épitaxiées sur des tremplins de (Zn, Mg)O (11-20) / saphir (10-12) réalisés par EJM. L’anisotropie de la morphologie de surface, de la microstructure cristalline, ainsi que de l'émission optique des couches de a-GaN, a été mise en évidence. Une série d'échantillons de PQs de a-(GaN/Al0.2Ga0.8N) avec des épaisseurs de puits différentes a été fabriquée, et l'absence d’effet Stark quantique confiné dans ces hétérostructures a été établie. Des procédés de croissance de GaN sur des substrats de ZnO massifs d’orientation A, « a-ZnO », et C, « c-ZnO », ont également été développés. En particulier, des couches de GaN (0001), « c-GaN », avec une polarité Ga- ou N- ont été épitaxiées sur la face O de substrats c-ZnO. Les mécanismes de détermination de la polarité ont été analysés. Des LEDs bleues contenant une zone active constituée de PQs (In, Ga)N / GaN ont été réalisées sur des substrats c-ZnO. Des puissances de sortie atteignant 40 µW à 20 mA et 0,1 mW à 60 mA ont été mesurées. Enfin, des PQs (In, Ga)N / GaN ont été fabriqués sur substrats a-ZnO et comparés à des PQs fabriqués sur c-ZnO avec des conditions de croissance équivalentes. Les résultats indiquent une concentration en In plus importante dans le cas des PQs épitaxiés sur c-ZnO et une polarisation de l’émission de PL suivant la direction <1-100> dans le cas des PQs épitaxiés sur a-ZnO. / This work focus on the integration of III-nitride materials, by molecular beam epitaxy (MBE), on ZnO based templates and substrates. The objective is to explore the potential of (Al,Ga)N/GaN and (In,Ga)N/GaN multi-quantum wells (MQWs) grown on ZnO for the fabrication of light emitting diodes (LEDs). In particular, two crystal orientations are studied: the polar (0001) plane (c-plane) and the nonpolar (11-20) plane (a-plane). The structural and optical properties of epitaxial layers are mainly characterized by AFM, SEM, XRD, TEM and PL. A-plane (11-20) GaN layers have been grown on a-(Zn,Mg)O/r-sapphire templates by MBE. The surface morphology, the crystal microstructure, as well as the optical emission of a-GaN layers show strong anisotropic properties. A series of a-plane Al0.2Ga0.8N/GaN MQWs with different well thicknesses have been fabricated and the absence of quantum confined Stark effect in these nonopolar heterostructures has been evidenced. Processes of growing GaN on both c- and a- plane bulk ZnO substrates have been developed. In particular, GaN layers with either Ga- or N- polarities have been grown on O face ZnO, and their polarity determination mechanisms have been analyzed. (In,Ga)N/GaN MQWs based blue LEDs have been demonstrated on c- ZnO substrates. Output powers of 40 µW at 20 mA and 0.1 mW at 60 mA have been measured. Finally, a-plane (In,Ga)N/GaN MQWs are fabricated on bulk a-ZnO substrates and compared with c-plane MQWs grown under similar conditions. PL measurements indicate that a-plane MQWs exhibit a lower In incorporation efficiency and a polarized emission along <1-100> direction.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2013NICE4067 |
| Date | 01 October 2013 |
| Creators | Xia, Yuanyang |
| Contributors | Nice, Massies, Jean, Brault, Julien |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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