Etude par cathodoluminescence (CL) des défauts cristallins présents dans le GaN semi-polaire

F. TENDILLE*, P. De MIERRY, P. VENNEGUES, M. TESSEIRE

CRHEA-CNRS (Centre de Recherches sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications),
Sophia-Antipolis, Rue Bernard Grégory, 06560 Valbonne
*E-mail: ft@crhea.cnrs.fr

La caractérisation des  défauts cristallins dans les films de nitrure de gallium (GaN) hétéroépitaxiés est essentielle. En effet la présence de ces défauts a une influence capitale sur les propriétés physiques et les performances des composants optoélectroniques réalisés à partir de ces matériaux. La cathodoluminescence (CL) permet une détermination rapide et précise de la nature et des densités de ces défauts. C’est donc un outil de choix dans le développement de méthodes de réductions de défauts dans les matériaux semi-conducteurs  III-V  tel que le GaN.  Dans cette présentation nous nous concentrerons en particulier sur l’observation de films de GaN d’orientation (11-22) dite semi-polaire réalisés par épitaxie sur saphir structuré. Nous tacherons par cet exemple d’illustrer le potentiel de la CL pour la caractérisation des défauts dans les semi-conducteurs à gap direct.
Le GaN semi-polaire est particulièrement intéressant pour réaliser des hétérostructures possédant des effets de polarisations beaucoup plus faibles que le GaN dans son orientation classique (0001) [1]. Une des conséquences directes est la possibilité de fabriquer des dispositifs optiques permettant une émission lumineuse intense dans la région verte et jaune du spectre visible [2]. Cependant les films de GaN semi-polaires réalisés sur des substrats exogènes contiennent d’importantes densités de défauts tels que des fautes d’empilements basales (BSFs) et des dislocations. Nous présenterons ici une étude CL portant sur une méthode de management de ces défauts qui permet d’obtenir des films de GaN semi-polaire sur saphir de très bonne qualité cristalline [3]. L’analyse des défauts, la préparation des échantillons, et la gamme de densités de défauts où la CL est un outil  de caractérisation adapté seront discutés.

Références:
[1]    A. E. Romanov, T. J. Baker, S. Nakamura, and J. S. Speck, “Strain-induced polarization in wurtzite III-nitride semipolar layers,” J. Appl. Phys., vol. 100, no. 2, pp. 023522–023522, 2006.
[2]    H. Sato, R. B. Chung, H. Hirasawa, N. Fellows, H. Masui, F. Wu, M. Saito, K. Fujito, J. S. Speck, S. P. DenBaars, and S. Nakamura, “Optical properties of yellow light-emitting diodes grown on semipolar (1122) bulk GaN substrates,” Appl. Phys. Lett., vol. 92, no. 22, p. 221110, 2008.
[3]    F. Tendille, P. De Mierry, P. Vennéguès, S. Chenot, and M. Teisseire, “Defects reduction method in (11–22) semipolar GaN grown on patterned sapphire substrate by MOCVD: toward heteroepitaxial semipolar GaN free of basal stacking faults,” J. Cryst. Growth, Jul. 2014.