Optoelectonics properties of InGaN/GaN core-shell nanowire LEDs

Les nitrures d’éléments III, à savoir GaN, InN, AlN et leurs alliages, forment une famille de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Leur intérêt réside en particulier dans leur bande interdite qui est directe et qui couvre une large bande spectrale de l’infrarouge (0,65eV pour InN) à l’ultraviolet (6,2eV pour AlN). En raison de l’absence de substrats accordés en maille avec ces matériaux, les couches minces hétéroépitaxiées de nitrure sont généralement touchées par des problèmes de qualité cristalline. Grâce au phénomène de relaxation des contraintes en surface, les nanofils offrent une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Ils combinent de nombreux autres avantages : en comparaison des couches minces, l’efficacité quantique interne des LEDs peut être améliorée (surface effective plus importante permettant de diminuer l’effet Auger à courant injecté identique, absence de champ de polarisation en utilisant les facettes non polaires des nanofils) et l’extraction des photons est facilitée par l’effet guide d’onde des nanofils. Cependant, une des difficultés est de parvenir à contrôler la synthèse de ces nano-objets pour garantir une homogénéité des propriétés structurales d’un fil à l’autre et au sein d’un même fil. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à étudier d’un point de vue expérimental et théorique l’impact des inhomogénéités structurales sur les propriétés optoélectroniques de dispositifs à nanofils de type LED. J’ai pu mettre en évidence et modéliser un effet de concentration du courant dans les régions riches en indium lorsque les courants injectés sont modérés. Pour de forts courants, le courant se concentre à proximité du contact sur la coquille dopée p. Théoriquement, j’ai montré que la dérive des porteurs de charge dans les puits quantiques et leur diffusion unipolaire et ambipolaire en présence d’un gradient de compositions des puits étaient négligeables. Par ailleurs, je me suis également intéressé à l’interprétation des caractéristiques courant-tension. A l’aide d’un modèle simple, j’ai également identifié la présence de courant de fuite par effet tunnel dans des structures présentant une densité importante de défaut. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis également intéressé à la caractérisation de nanofils à structure coeur-coquille par la technique de courant induit par faisceau d’électrons (Electron Beam Induced Current). La dépendance des cartographies EBIC en fonction de la tension appliquée et de l’énergie du faisceau incident a été modélisée. Ce travail m’a notamment amené à proposer une nouvelle méthode de caractérisation permettant de cartographier les résistivités du coeur et de la coquille des nanofils.III-nitrides i.e. GaN, InN, AlN and their alloys are semiconductors of choice to fabricate optoelectronic devices such as Light Emitting Diodes (LEDs). One of their most interesting features relies in their direct band gap that covers a very wide spectral range, from infrared (0.65 eV for InN) to UV (6.2 eV for AlN). However, the lack of lattice-matched substrate has been responsible for strong crystalline quality issues in heteroepitaxial thin films. Thanks to stress relaxation at their surface, nanowires provide a smart solution to this problem. Besides, they have a few more assets. In comparison to thin films, nanowires can improve the internal quantum efficiency of LEDs because of their higher effective surface that leads to lowered current densities and thus mitigated Auger effect. The internal quantum efficiency also benefits from the possibility to grow the active region on non polar facets, thus getting rid of the detrimental high internal polarization-induced electric field in quantum wells. Furthermore, the photon extraction efficiency is enhanced by the guiding effect of nanowires. However, despite all this promising advantages, one of the main challenges remains the control of structural homogeneity from wire to wire but also inside single wires.In this context, my work has consisted into studying from an experimental and theoretical point of view the consequences of these structural inhomogeneities on the optoelectronic properties of nanowire based LED devices. I have shown that the current tends to gather into indium-rich regions for moderate bias. At higher bias, the dominant current path though the junction is generally located under the p-contact on the nanowire shell. I have theoretically demonstrated that the unipolar and ambipolar diffusion of carriers as well as their drift induced by a composition gradient inside the quantum wells is not significant in the devices I have studied. Moreover, I took also an interest in the detailed analyze of I-V curves. Thanks to a simple model, I have identified the presence of leakage current related to defect- and phonon-assisted tunneling effect. In the second part of my work, I have focused onto the characterization of core-shell wires using the Electron Beam Induced Current technique. The bias-dependant and acceleration voltage-dependant EBIC maps has been explained with a theoretical model based on equivalent circuits. This study leads me to suggest a new experimental method that can be used to map the nanowire core and shell resistivity