III-Nitride nanowire heterostructures: p-type conduction and high efficiency infrared and ultraviolet light sources

The molecular beam epitaxy growth, fabrication, characterization and device applications of III-nitride nanowire heterostructures on Si (111) are presented in this dissertation. By improving the epitaxial growth process, we have achieved, for the first time, p-type conduction of InN. We report on the observation of ambipolar transport characteristics of InN:Mg nanowires at room-temperature, providing unambiguous evidence that the Fermi level is fundamentally unpinned on the grown surfaces of InN. Furthermore, our work suggests that defects and the incorporation of impurities on the grown surfaces of InN are the primary causes of the commonly measured accumulation of electrons and Fermi-level pinning. We also report on the achievement of electroluminescence emission of single InN p-i-n nanowire light emitting diodes (LEDs). Electroluminescence emission with a peak energy of 0.71 eV (1.75 μm) was observed at 77 K. The measurement of near-bandgap electroluminescence provides unambiguous evidence for the achievement of p-type conduction of InN.We have demonstrated the selective area epitaxial growth (SAG) of AlxGa1-xN nanowire arrays using Ti mask. We show that the luminescence peak emission of the AlGaN nanowires grown by SAG technique can be tuned from 327 nm to 210 nm. The AlGaN deep ultraviolet (DUV) LEDs operating at 279 nm exhibit excellent optical and electrical performance, including an internal quantum efficiency (IQE) of ~45% at room-temperature and a light output power of ~3.5 W/cm2 at an injection current of 500 A/cm2. By further exploiting the advantages of SAG AlxGa1-xN nanowire arrays, we have also demonstrated that nearly dislocation-free semipolar AlGaN templates can be achieved on c-plane sapphire substrate through controlled nanowire coalescence by selective-area epitaxy. The coalesced Mg-doped AlGaN layers exhibit superior charge carrier transport properties, including a free hole concentration of ~7.4×10^18 cm-3 and mobility ~8.85 cm2/V·s at room-temperature. The semipolar AlGaN UV LEDs demonstrate excellent optical and electrical performance, including an IQE of ~83% at room-temperature and a device turn-on voltage of ~3.3 V. This work establishes the use of engineered nanowire structures as a viable architecture to achieve large-area, dislocation-free planar photonic and electronic devices. This unique concept will also enable the scaled up manufacturing of large-area, low-cost semipolar/nonpolar GaN and/or AlN templates/substrates. We also report on the demonstration of GaN/AlGaN nanowire edge emitting lasers operating in the UV spectral range. The nanowire heterostructures were monolithically grown on sapphire substrate using a selective area growth process. The nanowire lasers exhibited an ultralow threshold current of ~10.6 mA at room-temperature under continuous wave operation. This work provides a viable approach for achieving conventional edge emitting lasers by using nearly dislocation-free nanowire structures, thereby offering a new avenue for achieving ultralow threshold ultraviolet lasers that were not previously possible.L'épitaxie par jets moléculaires, la fabrication, la caractérisation et les applications des dispositifs à base de nanofils en III-N sur un substrat de Si (111) sont présentés dans cette thèse. En améliorant considérablement le processus de croissance épitaxiale, nous avons réalisé, pour la première fois, la conductivité de type p du InN. Nous rapportons l'observation des caractéristiques de transport ambipolaire dans les nanofils en InN:Mg à température ambiante, prouvant que le niveau de Fermi est fondamentalement désépinglé sur les surfaces en InN. En outre, notre travail suggère que les défauts et l'incorporation d'impuretés sur les surfaces en InN sont les principales causes d'accumulation d'électrons communément mesurée et l'épinglage du niveau de Fermi. Nous rapportons également sur la réalisation des émissions par électroluminescence de diodes électroluminescentes (LED) p-i-n composées de nanofils uniques en InN. Des émissions avec une énergie de pointe de 0,71 eV (1,75 um) ont été observées à 77 K. La mesure de l'électroluminescence au quasi-bandgap fournit une preuve sans équivoque pour la réalisation de conductivité de type p du InN.Nous avons démontré la croissance épitaxiale sélective (SAG) de réseaux de nanofils d'AlxGa1-xN en utilisant un masque en Ti. Nous montrons que l'émission de lumière des nanofils en AlGaN obtenus par la technique SAG peut être variée de 327 nm à 210 nm, couvrant le spectre ultraviolet en entier. Notre LED en AlGaN fonctionnant à 279 nm démontre d'excellentes performances optiques et électriques, y compris une efficacité interne quantique (IQE) de ~ 45% à la température ambiante et une puissance de sortie lumineuse de ~ 3,5 W/cm2 avec un courant d'injection de 500 A/cm2. En exploitant davantage la SAG de réseaux de nanofils en AlxGa1-xN, nous avons également démontré que l'AlGaN semi-polaire presque libre de dislocations peut être obtenu sur un substrat de saphir grâce à la coalescence des nanofils contrôlée par SAG. Ces couches d'AlGaN dopées de Mg présentent des propriétés supérieures de transport de porteurs de charge, y compris une concentration de trous libres de ~7.4×10^18 cm-3 et de mobilité ~8,85 cm2/V·s à température ambiante. Les LEDs UV en AlGaN semi-polaire démontrent d'excellentes performances optiques et électriques, y compris une IQE de ~ 83% à température ambiante et un seuil de tension de ~3,3 V. Ce travail établit l'usage des structures de nanofils afin de produire des dispositifs photoniques et électroniques à grande surface et libre de dislocations. Ce concept unique permettra également la fabrication à grande échelle et à faible coût de GaN semi-polaire/apolaire et/ou d'AlN.Nous rapportons finalement sur la démonstration de diodes laser en nanofils de GaN/AlGaN émettant dans la gamme spectrale UV. La croisance monolithique des hétérostructures de nanofils a été effectué sur substrat de saphir en utilisant un processus de croissance sélective. Les lasers en nanofils présentent un courant de seuil ultra-faible de ~10.6 mA à température ambiante et onde entretenue. Ce travail fournit une approche viable pour la réalisation de diodes laser classiques en utilisant des structures de nanofils pratiquement sans dislocation, offrant ainsi une nouvelle voie pour la réalisation de lasers ultraviolets à seuils ultra-faibles ce qui n'était pas possible auparavant