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Présentation du projet

Projet financé par l’agence nationale de la recherche N° ANR-14-CE26-0025-01
Durée : 2015 – 2018

SUMMARY

“Self-Assembled AlGaN Nanostructure Design, Modelling, and Opto-Electronic Properties for UV Emitters”

Gallium Nitride (GaN) based materials have emerged as the leading technology for a wide range of optoelectronic applications in the visible range. In particular, blue emitting lasers and light emitting diodes (LEDs) have led to the development of widely used “white LEDs” and “Blu-Ray” technologies. A next step, which represents one of the most important challenges for nitride LEDs, is to replicate in the ultra-violet (UV) range, i.e. below 360 nm, the performances obtained in the blue. Indeed, Al_xGa_1-xN materials, which allow covering an emission spectrum between 360 nm and 200 nm, are well adapted to become the next technology in the UV, in replacement of the mercury-vapour lamps, which are hindered by environmental issues (toxicity, hazardous waste) and technological limitations (large size equipments, low efficiency and lifetime, etc.).

However, the internal quantum efficiency (IQE) of UV LEDs – which is given by the product of the radiative recombination efficiency (RE) and the injection efficiency (IE) - is rapidly decreasing when going towards shorter wavelengths. Therefore, the general objective of NANOGANUV project is to develop alternative solutions to the current technologies and designs, adopted by most R&D laboratories, by focusing on two major key elements of Al_xGa_1-xN LED structures:

1. the active region (on which depends the RE)
2. the p-type region (on which depends the IE)

In order to address these locks, different approaches will be developed. Presently, RE and EI are limited in Al_xGa_1-xN materials by high defect densities and an impediment to the doping, respectively. Regarding the doping issue, which is due to the dopant ionization energy increase with Al content, the main lock concerns the case of p-type doping.

Three paths will be followed to improve the IQE:

1. the use of quantum dots (QDs), grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE, the most mature epitaxial technique for QD fabrication). Indeed, owing to the spatial confinement of carriers in 3 dimensions (D) instead of the 1D spatial confinement in the case of quantum wells, QDs strongly improve the RE by reducing the influence of defects.
2. the optimization of Mg doping in Al_xGa_1-xN layers by MBE, for which p-type GaN doped layers have been demonstrated with the largest hole concentrations (close to 10¹⁹ cm^-3). In order to reach the level of optimized doping conditions and associated electrical characteristics, the fabrication of a high-stability dopant evaporation cell dedicated to Mg will also be developed.
3. the use of AlN bulk substrates and the development of a specific high-temperature growth furnace to improve the structural quality of Al_xGa_1-xN. These two approaches will allow determining the potential of MBE to reach high-quality Al_xGa_1-xN layers.

The overall ambition is to develop a novel route towards the fabrication of efficient UV LEDs, by using alternative scientific and technical solutions at both the nanoscale level, i.e. involving QD modelling, fabrication and quantum engineering, and the micro/macroscopic level i.e. investigating optical and transport properties, to identify, design and assemble the building blocks for the fabrication of QD-based UV sources.

The final targets are to design and fabricate UV LEDs operating in the 260 – 360 nm spectral region. This large UV range (from UV-A to UV-C regions) should allow addressing a wide range of applications, from UV curing and counterfeit analysis to medical phototherapy, water and air purification. At the end of the project, devices presenting the best performances will be further processed in LED packages with the aim of performing a series of tests on experimental workbenches by companies specialized in LED testing for UV applications (which will be defined by the specific UV region covered by the LED prototypes).

RESUME

« Fabrication, Modélisation, Caractérisation de Nanostructures AlGaN Auto-Assemblées pour Emetteurs UV »

Les matériaux à base de nitrure de gallium (GaN) connaissent un développement considérable et constituent la technologie dominante dans de nombreuses applications optoélectroniques dans le visible. En particulier, la réalisation de lasers et diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ont conduit au développement des « LEDs blanches » et de la technologie « Blu-Ray ». L’étape suivante, qui représente un des défis les plus importants pour les LEDs nitrures, est de reproduire dans l’ultra-violet (UV), c-à-d en dessous de 360 nm, les performances obtenues dans le bleu. En effet, les matériaux Al_xGa_1-xN, qui permettent de couvrir la gamme spectrale de 360 nm à 200 nm, sont bien adaptés pour devenir la prochaine technologie UV, en remplacement des lampes à vapeur de mercure, qui souffrent de problèmes environnementaux (toxicité) et de limitations techniques (grandes tailles, faibles efficacité et durée de vie, etc.).

Cependant, l’efficacité quantique interne (EQI) des LEDs UV – donnée par le produit de l’efficacité de recombinaison radiative (ER) par l’efficacité d’injection (EI) – décroit rapidement vers les courtes longueurs d’onde. Par conséquent, l’objectif général du projet NANOGANUV est de développer des solutions alternatives aux technologies actuelles développées et adoptées par la majorité des laboratoires de R&D, concernant deux éléments clefs d’une structure LED Al_xGa_1-xN :

1. la zone active (dont dépend ER)
2. la région de type p (dont dépend EI)

Actuellement, ER et EI sont limitées dans l’Al_xGa_1-xN par, respectivement, les fortes densités de défauts et l’augmentation de l’énergie d’ionisation des dopants avec l’augmentation de la concentration en Al. Dans ce dernier cas, le verrou principal concerne le dopage de type p.

Trois approches différentes seront développées afin d’améliorer l’EQI :

1. l’utilisation de boîtes quantiques (BQs), via l’Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM, technique la plus mature pour leur élaboration). En effet, grâce au confinement spatial selon 3 dimensions (D) au lieu du confinement spatial 1D obtenu par l’utilisation de puits quantiques, les BQs conduisent à une forte augmentation de l’ER en réduisant l’influence des défauts.
2. l’optimisation du dopage Mg dans l’Al_xGa_1-xN par EJM, technique qui a permis d’obtenir les concentrations de porteurs les plus élevées dans GaN (proches de 10¹⁹ cm^-3). Afin d’atteindre les conditions optimales de dopage et les caractéristiques électriques associées, le développement d’une cellule d’évaporation de haute stabilité dédiée au Mg sera également réalisé.
3. l’utilisation de substrats massifs d’AlN et le développement d’un four de croissance à haute température pour améliorer la qualité structurale de l'Al_xGa_1-xN. Ces deux approches permettront de déterminer le potentiel de l’EJM pour l’obtention de couches AlxGa1-xN à faible densité de dislocations.

L’ambition du projet est de développer une nouvelle voie pour la fabrication de LEDs UV à l’aide de solutions innovantes à l’échelle nanométrique, incluant modélisation, fabrication et ingénierie quantique de nanostructures, et micro/macroscopique, via l’étude des propriétés optiques et de transport, afin d’identifier, concevoir et assembler les briques de base pour la fabrication de sources UV à base de BQs.

Le but final est de fabriquer des LEDs fonctionnant entre 260 et 360 nm. Cette gamme de longueurs d’onde (couvrant une région spectrale s’étendant de l’UV-A à l’UV-C) devrait permettre de viser différentes applications, allant de la photopolymérisation à la photothérapie médicale, la purification de l’air et de l’eau. A la fin du projet, les diodes présentant les meilleures performances seront assemblées et montées dans des dispositifs LEDs afin de réaliser, via des sociétés spécialisées, une série de tests sur des bancs de mesure en fonction de l’application visée (définie par la longueur d’onde des différents prototypes fabriqués).

LISTE DES PARTENAIRES

Les membres du consortium sont :

• Le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA, Valbonne 06)
• Le Laboratoire Charles Coulomb (L2C, Montpellier 34)
• L’Institut Non Linéaire de Nice (INLN, Valbonne 06)
• L’Institut des NanoSciences de Paris (INSP, Paris 75)
• RIBER S.A. (Bezons 95)