Semiconducteurs III-N nanoporeux fabriqués par sublimation selective pour l’optoélectronique – NAPOLI

WP1- Les deux tâches principales sont la croissance épitaxiale des structures (en utilisant un mode de croissance 2D) et le processus pour rendre ces structures nanoporeuses. Les échantillons sont épitaxiés par dépôt chimique en phase vapeur aux métal-organiques (MOCVD) sur des substrats de Si (111). Différents types de structures seront développés avec deux catégories principales: des couches simples de GaN ou InGaN / GaN et des structures de diodes électroluminescentes comprenant des couches de GaN de type n et de type p et un puits quantique multiple InGaN / GaN. Les échantillons épitaxiés sont ensuite porosifiés à l'aide d'un nanomasque auto-organisé ou contrôlé et d'une étape de sublimation à haute température sous vide.
WP2- Les échantillons sont analysés par des caractérisations structurales et optiques détaillées. L'un des principaux objectifs est de déterminer l'impact du processus de porosification sur les dislocations. Les couches minces de GaN 2D épitaxiées sur un substrat de silicium sont affectées par une grande densité de dislocations et leur porosification améliore l'efficacité de photoluminescence à température ambiante que nous supposons liée à une qualité structurale améliorée. L'objectif principal de l'analyse optique est de faire la distinction entre les taux de recombinaison radiatifs et non radiatifs (efficacité quantique interne) et de déterminer les propriétés de photoluminescence en fonction de la taille et de la distribution des nanopores.
WP3 Une des difficultés est liée à la passivation des pores et au dépôt de contact transparent sur le dessus de la structure. En particulier, nous explorons de nouvelles stratégies de contact en utilisant des matériaux 2D tels que le graphène. Différentes approches de traitement seront évaluées en mesurant les caractéristiques électriques, les spectres d'électroluminescence (EL) et l'efficacité quantique externe. Une approche par report et retrait du substrat de Si est également prévue.

WP1- Des couches simples de GaN, des puits quantiques InGaN / GaN et plusieurs séries de structures de diodes électroluminescentes bleues avec une région active de puits quantique multiple InGaN / GaN ont été épitaxiées par MOCVD. Ces structures ont ensuite été porosifiées dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires. Des LED nanoporeuses avec une porosité variant de 0,15 à 0,5 ont été obtenues et livrées aux partenaires pour l'analyse optique et structurale et pour la fabrication des dispositifs.
WP2- Pour les expériences MET, il était nécessaire de mettre en place un protocole spécifique pour la préparation des échantillons permettant un remplissage des pores proche de 100%. Les résultats obtenus suite à cette optimisation sont concluants: à partir des observations MET à haute résolution, il ressort que le GaN restant après porosification est exempt de défauts étendus. Les LED nanoporeuses ont été caractérisées par des expériences de photoluminescence résolues en température et en temps. Les temps de décroissance mesurés sont typiques pour des puits quantiques multiples InGaN / GaN et la porosité n'induit pas une forte modification du coefficient de Purcell comme observé pour du GaN poreux. La conclusion actuelle est que les mécanismes de recombinaison dans les puits quantiques InGaN sont dominés par les effets de la localisation dus aux fluctuations de composition en In et de l'épaisseur des puits quantiques.
WP3- La fabrication des LEDs a nécessité un développement technologique spécifique pour tenir compte de la nanoporosité. Tout d'abord, les pores ont été remplis de parylène. Une étape de gravure sèche a ensuite été nécessaire pour permettre l'accès à la surface pour le dépôt des contacts ITO définis par lithographie optique. Ces premières LEDs poreuses montrent un fonctionnement en continu à température ambiante à une longueur d'onde de 470 nm. L'optimisation du processus de fabrication avec report est en cours.

La vue plane et en coupe transverse des échantillons ont été étudiées en utilisant l'imagerie en champ sombre annulaire à haute résolution. Bien que le nombre d'échantillons étudiés soit encore limité, ces observations démontrent clairement que le GaN restant après porosification peut être totalement exempt de défauts étendus. Nous avons montré avant le début du projet que l'efficacité de photoluminescence à température ambiante de couches minces de GaN sur Si (affectées par une grande densité de dislocations) peut être améliorée de 3 ordres de grandeur après porosification en utilisant la sublimation sélective. Le résultat actuel est une explication claire de la raison de cette amélioration.

Deux problèmes ont été identifiés concernant l'injection électrique dans les diodes électroluminescentes poreuses:
- la densité des fissures affectant les structures LEDs initiales devient encore plus importante après porosification,
- l'injection électrique dans les LED poreuses est difficile à contrôler (difficulté à trouver l'isolation optimale: soit un court-circuit est obtenu avec une isolation insuffisante, soit la surface de l'échantillon est isolante, ce qui empêche l'injection de courant).
Le problème de fissuration peut être résolu en utilisant des intercalaires minces en AlGaN pour compenser la contrainte en tension dans la structure LED provenant du désaccord de coefficient thermique avec le substrat de Si.
Plusieurs voies seront explorées pour limiter les problèmes d'injection électrique dans les LEDs poreuses:
- le degré de porosité peut être limité (cible ~ 0,25),
- la couche de p-GaN de la structure LED initiale peut être épaissie (pour éviter d'éventuels courts-circuits induits par le dépôt de métal),
- la structure de la LED nanoporeuse peut être reprise par une couche supplémentaire de p-GaN coalescé, toujours pour améliorer l'injection électrique.

- Ngo T H, Gil B, Shubina T V, Damilano B, Vezian S, Valvin P and Massies J 2018 Enhanced excitonic emission efficiency in porous GaN Scientific Reports 8
- Damilano B, Coulon P-M, Vézian S, Brändli V, Duboz J-Y, Massies J and Shields P A 2019 Top-down fabrication of GaN nano-laser arrays by displacement Talbot lithography and selective area sublimation Appl. Phys. Express 12 045007
- Sergent S, Damilano B, Vézian S, Chenot S, Takiguchi M, Tsuchizawa T, Taniyama H and Notomi M 2019 Subliming GaN into Ordered Nanowire Arrays for Ultraviolet and Visible Nanophotonics ACS Photonics 6 3321–30
- Coulon P-M, Damilano B, Alloing B, Chausse P, Walde S, Enslin J, Armstrong R, Vézian S, Hagedorn S, Wernicke T, Massies J, Zúñiga-Pérez J, Weyers M, Kneissl M and Shields P A 2019 Displacement Talbot lithography for nano-engineering of III-nitride materials Microsyst Nanoeng 5 52

Les composés à base de GaN épitaxiés sur saphir sont au cœur de l’éclairage à source solide. Cependant le substrat saphir présente des limitations en termes de taille, prix, conductivité thermique, etc. C’est pourquoi un effort important de recherché a été dédié à la croissance de GaN sur Si. Cependant, des problèmes de contrainte et de qualité existent et nécessitent la croissance de couches tampons complexes limitant le développement industriel de cette filière GaN sur Si. Nous proposons d’explorer une nouvelle et simple technique basée sur un procédé de sublimation sélective pour fabriquer des dispositifs à base de (Ga,In)N sur Si. Nous avons montré récemment que ce procédé permet d’obtenir des couches de (Ga,In)N nano-poreuses avec des propriétés optiques fortement améliorées. L’objectif principal du projet est de démontrer que des couches de nitrures nano-poreuses peuvent être utilisées pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques efficaces sur substrat Si.