L’objectif de cette thèse était d’explorer les potentialités des nitrures d’éléments III pour la réalisation de diodes électroluminescentes à cavité résonante (DEL-CR).
Les nitrures d’éléments III présentent un important désaccord de paramètres de maille entre eux, ce qui engendre des contraintes importantes lors de l’épitaxie d’hétérostructures telles que les miroirs de Bragg.
Dans cette thèse, la relaxation plastique des contraintes dans des hétérostructures (Al,Ga)N / GaN a donc été étudiée. L’impossibilité de relaxer la contrainte d’épitaxie par le glissement de dislocations traversantes a notamment été expliquée. La fissuration du film intervient pour des épaisseurs et des compositions en Aluminium relativement faibles. Les alternatives à la fissuration proposées dans la littérature aboutissent à une augmentation de la densité de dislocations traversantes. Lors de la croissance de miroirs de Bragg (Al,Ga)N / GaN, un dilemme se pose alors entre dislocations et fissures, ces deux manifestations de la relaxation des contraintes étant dommageables pour la réalisation de DEL-CR.
En combinant la fissuration du film, la relaxation des contraintes par l’introduction de dislocations d’interface et la croissance latérale des nitrures, nous avons réalisé la croissance de films épais d’AlXGa1-XN (avec une composition en Aluminium X ≈ 20%) relaxés, lisses et de bonne qualité structurale. La densité de dislocations traversantes de ces films est de l’ordre de , alors que les valeurs reportées dans la littérature pour des films d’(Al,Ga)N non fissurés de même composition sont supérieures d’une décade par rapport à ce résultat.
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Le recours à différents outils de caractérisation structurale tels que la microscopie électronique en transmission et la diffraction des rayons X, a permis d’expliquer comment s’opère la relaxation plastique dans les hétérostructures (Al,Ga)N / GaN fissurées. Il a été notamment mis en évidence une coopération entre la fissuration et la relaxation ductile. L’introduction de dislocations d’interface n’intervient qu’après la fissuration du film. Cependant, la relaxation ductile est progressive : elle dépend fortement de l’épaisseur du film. Du fait de la contrainte résiduelle, des phases de fissuration successives peuvent se produire lors de l’épaississement du film. L’évolution du taux de relaxation avec l’épaisseur du film d’(Al,Ga)N a été corrélée à l’introduction de dislocations d’interface et à la densité de fissures.
L’utilisation des films épais d’(Al,Ga)N, que nous avons appelés « pseudo-substrats », a ensuite permis de faire croître en accord de maille des miroirs de Bragg (Al,Ga)N / GaN. Il
faut noter que lorsqu’un miroir de Bragg est épitaxié directement sur un film de GaN, sa composition en Aluminium et le nombre de paires qu’il comporte doivent être limités afin d’éviter sa fissuration. Par conséquent sa réflectivité est faible et sa bande d’arrêt étroite. Pour contourner ce problème, la croissance de pseudo-substrats d’(Al,Ga)N s’est donc révélée être un atout majeur pour réaliser des DEL-CR. La caractérisation de telles structures a confirmé qu’il était possible d’obtenir des miroirs de Bragg monolithiques non fissurés et comportant une densité de dislocations traversantes relativement faible (comparable à celle obtenue sur des films de bonne qualité de GaN épitaxiés par EPVOM sur saphir).
Pour compléter les caractérisations structurales et optiques, la mesure de la résistivité des miroirs de Bragg est apparue incontournable pour prévoir la distribution du courant électrique dans une structure de DEL-CR. Le saphir étant isolant, la réalisation de DEL-CR ne peut s’effectuer qu’en ayant recours à une technologie planaire. Il en est de même pour mesurer la résistivité d’un miroir de Bragg. Nous avons appliqué la méthode de la ligne de transmission (TLM) qui permet de mesurer la résistance entre différents contacts électriques puis de déduire du tracé de la résistance en fonction de la distance entre contacts la résistivité d’un film. La gravure du miroir entre les contacts a permis de contraindre le courant électrique à passer au travers des hétérojonctions (Al,Ga)N / GaN du miroir de Bragg. Nous avons ainsi pu déterminer la résistance spécifique liée aux discontinuités de la bande de conduction sur un miroir Al0,10Ga0,90N / GaN. Une modélisation purement résistive pour le miroir de Bragg a ensuite permis de déterminer sa résistivité dans le plan de croissance. Finalement, une simulation de la structure de bande d’un miroir de Bragg (Al,Ga)N / GaN et du courant électrique circulant le long de son axe a mis en évidence que la résistivité verticale augmentait dramatiquement avec la composition en Aluminium du miroir.
A titre de démonstrateurs, nous avons réalisé des diodes électroluminescentes à cavité résonante en insérant la zone active entre un miroir monolithique (Al,Ga)N / GaN et un miroir métallique très réfléchissant. La géométrie du dispositif est la même que pour les diodes électroluminescentes classiques à base de nitrures, à l’exception que l’émission lumineuse dans les DEL-CR que nous avons réalisées, s’opère au travers du saphir. Par l’acquisition de spectres d’électroluminescence à différents angles de réfraction, nous avons pu mettre en évidence un effet de cavité. L’affinement spectral de l’électroluminescence et une augmentation de la directivité de l’émission lumineuse ont pu être observés. Par manque de temps, ces structures n’ont pu être optimisées, néanmoins, les résultats préliminaires sont encourageants. Par exemple, un rendement d’extraction de 25% d’une DEL-CR couplée à une
fibre optique plastique a été obtenu. Une bande passante à -3dB de 90 MHz a été mesurée. Il est raisonnable d’espérer améliorer ces performances sur une structure optimisée.
En conclusion, la technique de cicatrisation des fissures ayant conduit à l’obtention de films d’(Al,Ga)N de bien meilleure qualité que ce qui est reporté dans la littérature, elle ouvre la voie à la réalisation d’autres dispositifs pour lesquels la qualité structurale est essentielle. Parmi ceux-ci, nous pouvons citer les diodes électroluminescentes UV, les détecteurs UV, les transistors à double hétérojonction, etc…