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Agenda


Soutenance de thèse

Développement de nanostructures à base d'AlGaN pour la fabrication de composants émetteurs de lumière UV à pompage électronique

Mardi 14 juin 2022 à 14:00, Salle Chrome 1, Maison Minatec, 3 parvis Louis Néel, Grenoble

Publié le 14 juin 2022
Anjali Harikumar
Photonique, Electronique et Ingéniérie Quantiques, Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble 
Ce projet est une contribution au développement de lampes ultraviolettes (UV) à haute luminosité, sans mercure, 100 % recyclables et à haute brillance, pour la désinfection à 270 nm. Les performances des LED UV à base d'AlGaN restent limitées par des problèmes d'injection de porteurs, dus à la haute énergie d'activation des dopants dans ce matériau et aux difficultés de mise en œuvre des contacts ohmiques. Pour contourner ces problèmes, nous proposons de pomper une région active à base de nanostructures d'AlGaN avec un faisceau d'électrons. Pour étudier les milieux actifs des lampes UV à pompage électronique pour la désinfection, deux types d'hétérostructures sont considérés, à savoir les boîtes quantiques (BQs) AlGaN/AlN intégrées dans des nanofils (NFs) GaN synthétisés sur des substrats Si(111) et les BQs AlGaN/AlN développées par la méthode Stranski-Krastanov (SK) sur des matrices AlN sur saphir. Ces choix étaient basés sur la haute efficacité quantique interne (IQE) qui peut être atteinte dans les BQ grâce au confinement tridimensionnel des porteurs. La croissance de toutes les structures a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. La première étape du travail a consisté à établir la faisabilité des BQ dans les NFs pour cette application. Des études structurelles et optiques ont démontré que les dimensions des BQs étaient assez homogènes le long du super-réseau (SR) de 400 nm de long, donnant une seule raie d'émission accordable dans la plage de 340 à 258 nm. Nous avons démontré des niveaux d'IQE supérieurs à 60% à 340 nm à température ambiante, diminuant lors de la réduction de la longueur d'onde d'émission. A 270 nm, l'IQE était d'environ 30 %. Ces valeurs ont été obtenues sous faible injection, mais restent stables pour des densités de pompage jusqu'à 200 kW/cm2. Sous pompage par faisceau d'électrons, les effets de canalisation dus à la géométrie NF peuvent être compensés en augmentant la longueur de la région active de 60 % par rapport aux couches planaires. L'efficacité quantique externe sous pompage optique donne des résultats prometteurs (3,42±0,55%). La deuxième étape du travail a consisté à étudier les SRs de BQs SK AlGaN/AlN. Il est démontré qu'en modifiant le rapport III/V et/ou la composition des BQs, la longueur d'onde d'émission maximale peut être réglée de 225 nm à 335 nm, tout en maintenant l'IQE autour de 50 % dans la gamme 250-335 nm, et plus de 35 % dans la gamme 225-250 nm. L'IQE de ces nanostructures reste stable des densités de puissance d'injection faibles jusqu'à 200 kW/cm2. Un rendement énergétique moyen de 0,38 % est mesuré pour les structures brutes de croissance, et cela sans aucun traitement pour améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière ou la gestion thermique. Ces résultats sont très prometteurs pour le développement d'une technologie UV efficace et respectueuse de l'environnement pour la désinfection.