Growth, Optical properties and integration of InGaN/GaN radial heterostructures on self-assembled GaN wires grown on sapphire and silicon

Ce travail est consacré à la réalisation de diodes électroluminescentes visibles à base de fils de GaN crûs sur Si(111) par épitaxie en phase vapeur de précurseurs organo-métalliques. Nous cherchons en particulier à comprendre les mécanismes de croissance des fils de GaN et les propriétés structurales et optiques de puits quantiques InGaN/GaN cœur/coquille déposés autour de ceux-ci. La croissance de fils orientés le long de l'axe -c sur saphir est dans un premier temps détaillée et expliquée. Nous montrons que l'injection de silane pendant la croissance des fils permet de former une couche de passivation de SiNx autour de ceux-ci. L'arrêt de l'injection de silane après quelques dizaines de secondes ne modifie pas la géométrie fil et ce procédé peut donc être utilisé pour contrôler le positionnement le long du fil de la zone de dépôts des puits quantiques InGaN/GaN. Ce procédé est ensuite transféré sur substrat Si(111) grâce au dépôt préalable d'une fine couche tampon d'AlN sur le substrat. Le dépôt de puits quantiques InGaN/GaN sur les facettes non-polaires m de ces fils et l'influence de différents paramètres de croissance sur leur émission de lumière sont étudiés. Nous montrons notamment l'existence de plusieurs familles des puits quantiques dans les fils dont les longueurs d'onde d'émission ont pu être indexées à l'aide de cartographies de cathodoluminescence. La concentration en indium des puits quantiques déposés a été estimée en comparant les énergies d'émissions des puits à des simulations utilisant la théorie k.p dans l'approximations 8 bandes pour les électrons et les trous et est comprise entre 8 et 24%. Enfin, des structures LED complètes ont été déposées sur les fils de GaN par MOVPE et une électroluminescence bleue à 450 nm à température ambiante est mesurée sur des fils uniques et sur des assemblées de fils sur silicium.This work reports on the realization by metal organic vapor phase epitaxy of visible light emitting diodes based on GaN wires grown on Si(111) with a focus on understanding the wires growth mechanisms and the properties of InGaN/GaN core/shell heterostructures grown around them. First we report the MOVPE growth of –c oriented GaN wires on sapphire. We demonstrate that the injection of silane during the growth induces the formation of a SiNx passivation layer around the GaN wires, preventing the lateral expansion. The silane flow can be stopped after a certain time without modifying the wire geometry. This phenomenon is used to control the position of the InGaN/GaN multiple quantum well shells along the wires. The wire growth on sapphire has then been transferred to silicon substrate thanks to the deposition of a thin AlN buffer layer prior to the wire growth. The deposition of InGaN/GaN core/shell heterostructures on the non-polar m-plane side facets of the wires and the influence of different growth parameters on the light emission properties of the quantum wells are then studied. Several types of quantum wells grown on different facets of the wire surface are observed. These different families emit light at different wavelengths that have been indexed thanks to cathodoluminescence mapping. The indium concentration in the quantum wells deposited is estimated between 8 and 24 %, depending on the growth conditions. This estimation has been made by comparing the emission wavelength of the quantum well to the recombination energy of electrons and wells simulated using the 8x8 band k.p theory for electron and hole masses. Finally, complete LED structures have been deposited on GaN wires by MOVPE and blue electroluminescence at 450 nm has been measured on single wires and assemblies of wires on Si(111)