GaN semipolaire

La caractéristique des nitrures est de présenter une polarisation le long de l’axe c [0001] de la maille wurtzite, axe dit polaire qui se trouve être le plus souvent la direction de croissance lors d’une épitaxie. Ce phénomène engendre un champ électrique intense (de l’ordre du MV/cm) dans les puits quantiques, qui nuit au rendement des LEDs. Pour pallier cet effet, l’épitaxie peut être réalisée selon une direction différente de l’axe c, on parle alors de nitrures semi-polaires. Alors que l’épitaxie du GaN (0001) polaire (direction de croissance parallèle à l’axe c) est actuellement bien maîtrisée, les orientations semi-polaires présentent un grand nombre de défauts cristallographiques, notamment des dislocations traversantes (~109-1010 / cm2) et des défauts planaires tels que les fautes d’empilement (~ 105 / cm) qui empêchent toute possibilité de composants performants. C’est dans ce contexte que le CRHEA a développé une technique originale d’épitaxie localisée à partir de substrats texturés de saphir ou de Si, permettant de réaliser des couches de GaN d’orientation semi-polaire à faible densité de défauts. La texturation consiste à révéler des facettes c en surface du substrat par photolithographie puis abrasion chimique ou ionique. La nucléation de cristaux de GaN a lieu à partir de ces facettes, jusqu’à complète coalescence des cristaux. La figure 1 (a) montre les différents stades de croissance et les figures 1 (b) et (c) des couches semi-polaires de GaN (11-22) sur saphir et GaN (1-101) sur SOI (Silicon on Insulator).

gaN semipolaire
Fig.1 : a) : croissance localisée de cristaux de GaN semipolaires (11-22) à partir de micro-facettes C sur saphir R (1-102). Ces micro-facettes sont obtenues par gravure chimique du saphir. Le schéma montre l’expansion des cristaux de GaN au cours des différents stades de croissance (notés 1, 2 et 3). SFs : Stacking faults (fautes d’empilement). TDs : threading dislocations (dislocations traversantes). Image MEB en section transverse de GaN (11-22) sur saphir (b) et de GaN (10-11) sur SOI (c).

Cette méthode de croissance localisée permet de réduire la densité des défauts en surface (dislocations traversantes) à ~ 108 / cm2, valeur comparable aux meilleures couches de GaN polaire (0001) hétéro-épitaxiées sur saphir. Ces résultats ouvrent la voie à l’épitaxie de composants semi-polaires, tels que les LEDs visibles (émettant à grande longueur d’onde dans le jaune ou le rouge) ou les QCD (quantum cascade detectors) dans le domaine térahertz.

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