MOVPE selective area growth for wavelength modulation of InGaN/GaN multi-quantum wells

Cette thèse est consacrée à l’épitaxie sélective en phase vapeur aux organométalliques de multipuits quantiques InGaN/GaN pour la fabrication de micro-écrans émissifs. Les LEDs InGaN/GaN sont un candidat idéal pour cette application, notamment en raison de leur forte luminosité et leur grande fiabilité qui permet un haut rendement avec une faible consommation.A ce jour, le grand défi des écrans émissifs est la réalisation d'un dispositif intégrant des pixels rouge, vert et bleu avec un pas inférieur à 10 µm. L’objectif de cette thèse est de développer des structures à multipuits quantiques InGaN/GaN émettant à différentes longueurs d’onde en utilisant l'épitaxie sélective en phase vapeur aux organométalliques. Cette technique consiste à masquer partiellement la surface du substrat avec une couche de matériau amorphe. Lors de la croissance, les espèces en phase gazeuse ne se déposent pas sur le diélectrique et migrent vers les ouvertures définies en amont dans le masque. Il est ainsi possible d'obtenir lors d'une même croissance des puits InGaN présentant des épaisseurs différentes, et donc des émissions de différentes couleurs.L’étude présentée dans ce manuscrit s'articule autour de la croissance, la modélisation numérique basée sur la diffusion de particules en phase vapeur et en surface, et la caractérisation des empilements épitaxiés sélectivement. Nous étudions en premier lieu le dépôt du composé binaire GaN et de l’alliage InGaN avec un masque diélectrique afin de définir les conditions de croissances autorisant une bonne sélectivité.Dans un second temps, nous étudions la croissance localisée de multipuits quantiques InGaN/GaN, et en particulier l’influence des effets de la croissance sélective sur les propriétés des structures en fonction des paramètres de croissance et de la géométrie du masque utilisé. Nous démontrons notamment une modulation étendue de la longueur d’onde d’émission mesurée par photoluminescence, de 405 à 608 nm dans des zones de recroissance de 3 µm obtenue en une seule croissance localisée à 805 °C, permettant d’envisager l’utilisation de cette technique dans la fabrication d’écrans émissifs.This thesis reports on the selective area metalorganic vapor phase epitaxy of InGaN/GaN multi-quantum wells for self-emissive micro-displays. GaN-based LEDs have been recognized to be very attractive for this application, thanks to their properties which include high brightness and efficiency allowing low power consumption and good reliability.To date, one of the main challenges ahead for the micro-displays technology is the production of full color devices integrating RGB emitting pixels, with a pixel pitch below 10 µm. This study aims to achieve wavelength modulation of InGaN/GaN multi-quantum wells using selective area growth (SAG). This technique consists in patterning the surface of a substrate with a dielectric amorphous mask. During growth, the gas species do not deposit on the mask, but migrate to the openings defined beforehand. InGaN wells with different thicknesses (from 1 to 9 nm) can be obtained during the same growth run, resulting in different emission wavelengths from various regions on the wafers.The study presented in this manuscript is based on the selective growth of nitride layers, their characterisation, and the numerical simulation of SAG effects based on vapor-phase diffusion and surface diffusion. In a first part, the selective growth of the binary compound GaN and the InGaN alloy is investigating as function of growth conditions.Secondly, the influence of growth parameters and mask geometry on the properties of InGaN/GaN multiquantum wells is studied. This leads to the demonstration of an extended modulation of the emission wavelength measured by photoluminescence, from 405 to 608 nm in growth area of 3 µm and obtained in a single localised growth run at 805 °C, allowing the possibility of applying this technique to the manufacture of emissive micro-displays