Realization of AlN nanowire-based light emitting diodes for UV-C emission - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Realization of AlN nanowire-based light emitting diodes for UV-C emission

Réalisation de diodes électroluminescentes à base de nanofils d'AlN pour l'émission UV-C

Remy Vermeersch
  • Function : Author
  • PersonId : 1260734
  • IdRef : 270390138

Abstract

The recent SARS-COV2 pandemic has highlighted one of the many applications of UV radiation: sterilization. Aiming at replacing bulky and environmentally hazardous mercury lamps emitting at 255 nm, research is directed towards the development of solid-state solutions based on semiconductors. Aluminium gallium nitride (AlGaN) light-emitting diodes (LEDs) meet the requirements. In practice, the realization of such devices in planar geometry is limited by low electrical conductivity due to deep dopants and by difficult light extraction. In response, a promising alternative is being explored in my thesis: the nanowire geometry. My thesis work consisted of increasing the knowledge on the physics governing the current transport in AlN nanowire diodes grown by molecular beam epitaxy as well as on the growth techniques and technologies in order to allow the realization of deep UV LEDs.Firstly, my work focused on the realization and characterization of active areas emitting in the deep UV. AlN nanowires containing ultra-thin GaN quantum wells were grown. After transmission electron microscopy observations and cathodoluminescence (CL) measurements, quantum wells with thicknesses between 1 and 4 GaN monolayers are identified and show emission between 239 and 304 nm. I also studied AlGaN nanowires with very low Ga compositions (< 1 %). The observed optical properties are very different from those of standard alloys with a spectrally broad emission, governed by a strong exciton localization on AlGaN clusters.Secondly, I was interested in the n-type doping of AlN nanowires with silicon. Using current-voltage characteristics (I-V), the conductance of nanowires was measured. It exhibits a bell-shaped curve as a function of doping, typical of self-compensation phenomena. A detailed study of the electrical transport as a function of temperature also established that a significant part of the dopants remained in Al site with an ionisation energy of 75 meV, in contrast to the deep Si donor with an energy of 270 meV commonly reported.Thirdly, I studied the electrical transport properties of AlN pn junctions for different doping range and designs, by I-V and electron beam induced current (EBIC) measurements. All diodes show typical rectifying behaviour of pn-junctions. However, the presence of a tunnel barrier limiting the injection of holes at high voltages (V > 6 V) has been demonstrated. Furthermore, by correlating I-V, EBIC, CL and electroluminescence (EL) measurements, optimal structure and growth parameters were identified.Finally, I realized a broadband LED centered at 285 nm. The different LEDs tested show good reproducibility as well as promising diode behavior. The luminescence intensity is found to be proportional to the injected current and luminescence of defects remains very low even at very high voltage. An external quantum efficiency could be measured at about 5.10^-3 %, mainly limited by the difficult compromise between electrical injection and photon extraction.
La récente pandémie de SARS-COV2 aura mis en lumière une des nombreuses applications des rayonnements UV : la stérilisation. Dans l'optique de remplacer les polluantes et encombrantes lampes à vapeurs de mercures émettant à 255 nm, la recherche se concentre désormais sur le développement de solutions à l’état solide à base de semiconducteurs. Les diodes électroluminescentes (DELs) en nitrure d’aluminium et de gallium (AlGaN) répondent aux prérequis. En pratique, la réalisation de tels dispositifs en géométrie planaire est limitée par des conductivités électriques limitées et par une difficile extraction de la lumière, entre autres. En réponse, une géométrie alternative et prometteuse est explorée dans le cadre de ma thèse: la géométrie nanofil. Mon travail de thèse a consisté à accroitre les connaissances sur la physique régissant le transport du courant dans les diodes à nanofils d’AlN crûes par épitaxie par jets moléculaires (EJM) ainsi que sur les techniques de croissance et les technologies pour la réalisation de DELs émettant dans l’UV-C.Dans un premier temps, mon travail s’est concentré sur la croissance et la caractérisation de zones émettrices de photons UV. Des nanofils d’AlN contenant des multi-puits quantiques de GaN ont été crûs. Après caractérisation par microscopie électronique et par cathodoluminescence, les puits d'épaisseur comprise entre 1 et 4 monocouches montrent une luminescence entre 239 et 304 nm. Je me suis également intéressé aux nanofils AlGaN comportant de très faibles compositions en Ga (< 1 %) présentant des propriétés optiques très différentes de celles d’alliage standard, régies par une forte localisation de l’exciton autour d’amas d’AlGaN.Dans un second temps, j'ai travaillé à l'amélioration du dopage de type n des nanofils d’AlN avec du silicium. Grâce aux caractéristiques électriques (I-V), la conductance des nanofils a été mesurée. Elle décrit une courbe en cloche en fonction du dopage, typique de phénomènes d’auto-compensation. Une étude approfondie du transport électrique en fonction de la température a aussi permis d’établir qu’une part significative des dopants restait en site Al avec une énergie d’ionisation de 75 meV, contrairement au donneur profond qui communément est identifié avec une énergie de 270 meV.Dans un troisième temps, j’ai étudié les propriétés de transport électrique de jonction p-n d’AlN pour différent dopages et structures, par mesures I-V et par courant induit par faisceaux d’électrons (EBIC). Toutes les diodes montrent des comportements rectifiant typique de jonctions pn. En revanche, la présence d’une barrière tunnel limitant l’injection de trous à fortes tensions (V > 6 V) a été mis en évidence. En corrélant les mesures I-V, EBIC, CL et d’électroluminescence (EL), une structure et des paramètres de croissance optimum ont été identifiés.Finalement, j’ai réalisé un dispositif DEL centrée à 285 nm. Les différentes DELs testées montrent une bonne reproductibilité ainsi qu'un comportement de diode prometteur. L’intensité de luminescence est proportionnelle au courant injecté et la luminescence des défauts reste très faible même à très haute tension. Une efficacité quantique externe a pu être mesurée à environ 5.10^-3 %, limitée principalement par un difficile compromis entre injection électrique et extraction des photons.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04122705 , version 1 (08-06-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04122705 , version 1

Cite

Remy Vermeersch. Realization of AlN nanowire-based light emitting diodes for UV-C emission. Other [cond-mat.other]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY007⟩. ⟨tel-04122705⟩
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