De la nano hétéroépitaxie aux microLEDs à base de GaN

Ce travail de thèse porte sur la croissance et la caractérisation de microLEDs à base de puits quantiques InGaN/GaN grâce à une méthode innovante permettant de résoudre de nombreux problèmes rencontrés lors de la fabrication standard de microLEDs. Cette technique repose sur l'utilisation d'un substrat compliant : le SOI (silicon-on-insulator) couplé à une structuration de surface du substrat en un réseau de piliers GaN/AlN/Si/SiO2 avant croissance. Cette structuration permet de localiser la reprise de croissance du GaN sur le sommet des piliers, le reste de la surface étant masqué par le SiO2 du SOI. Lors de la reprise de croissance MOVPE, une première croissance 3D de cristallites de GaN sur les piliers est réalisée dans le but de courber les dislocations (observations TEM) provenant de la croissance initiale de GaN sur Si.Vient ensuite une croissance 2D du GaN à plus haute température pour coalescer les cristallites de GaN et lisser la surface. L'hypothèse de ce travail est que la compliance des piliers de SiO2 à haute température, devrait permettre aux cristallites de GaN de se réorienter entre elles, réduisant ainsi la création de défauts aux joints de grains. Cette méthode permet d'obtenir des palettes de GaN d'une taille de 20x20µm2 avec une densité de dislocations de 4.108cm-2 avec une faible rugosité de surface. L'impact des paramètres de croissance (comme la température, le temps de croissance 3D, les gaz porteurs employés ou encore les flux d'ammoniac et de TMGa) sur la morphologie du GaN et la densité de dislocations est présenté.Une étude TEM permet notamment d'identifier l'origine des dislocations restantes et ainsi de proposer deux nouvelles méthodes. La première utilise un masque de SiO2 sur les piliers dans le but de bloquer les dislocations traversantes du pilier. Une densité de dislocations similaire à la méthode précédente est obtenue, mais en utilisant cette fois-ci une croissance en une seule étape. La seconde utilise des conditions de croissance différentes afin de nucléer des clusters de GaN sur le réseau de cristallites. Lors de la croissance latérale, ces clusters agissent comme une seconde filtration des dislocations, réduisant la densité de dislocations à 2,5.108cm-2.Des observations TEM montrent cependant que les dislocations restantes proviennent des joints de grains entre les cristallites de GaN désorientées lors de la coalescence. Ce constat vient à l'encontre de notre hypothèse initiale sur la rotation des cristallites à la coalescence grâce à la compliance des piliers de SiO2. Afin de mettre en évidence cette réorientation, deux techniques de caractérisation sont mises en œuvre . La première repose sur l'utilisation de la diffraction de rayons X à l'ESRF et montre une réorientation locale des cristallites de GaN. La seconde utilise l'EBSD afin de comparer l'orientation des cristallites avant et après coalescence. Ces deux études montrent que les cristallites se réorientent localement, formant des zones avec une orientation cristalline homogène. Elles montrent aussi que la rotation des cristallites est entravée par la présence de 6 cristallites voisines. Par conséquent, de nouveaux motifs prévoyant une coalescence successive des cristallites ont été épitaxiés. Enfin, des reprises d'épitaxie de puits quantiques InGaN/GaN et de structures LEDs complètes ont été réalisées sur les palettes de GaN. L'impact de la structuration de surface et des conditions de croissance sur la longueur d'onde d'émission ont été étudié. Ces études permettent d'envisager des motifs ou une seule croissance permettrait d'obtenir trois longueurs d'ondes d'émission différentes. Enfin, nous montrons que la fragilité des piliers permet un report et une fabrication simplifiés des microLEDs.