Hexagonal boron nitride is a model lamellar compound where weak, non-local van der Waals interactions ensure the vertical stacking of two-dimensional honeycomb lattices made of strongly bound boron and nitrogen atoms. We study the isotope engineering of lamellar compounds by synthesizing hexagonal boron nitride crystals with nearly pure boron isotopes ( 10 B and 11 B) compared to those with the natural distribution of boron (20 at% 10 B and 80 at% 11 B). On the one hand, as with standard semiconductors, both the phonon energy and electronic bandgap varied with the boron isotope mass, the latter due to the quantum effect of zero-point renormalization. On the other hand, temperature-dependent experiments focusing on the shear and breathing motions of adjacent layers revealed the specificity of isotope engineering in a layered material, with a modification of the van der Waals interactions upon isotope purification. The electron density distribution is more diffuse between adjacent layers in 10 BN than in 11 BN crystals. Our results open perspectives in understanding and controlling van der Waals bonding in layered materials.

Abstract-Biochemical detection applications and on-chip optical interconnects are examples of the useful applications considered for integrated photonic platforms dedicated to the UV and visible spectral range. This achievement requires the realization of efficient and compact microlaser sources that can be coupled to optical waveguides and are compatible with photonic circuitry. We develop a cost-effective practical approach relying on the controlled growth of thin AlN buffer layers on silicon substrates, followed by the growth of multiple quantum wells (MQW) GaN/AlN (for UV operation), or InGaN/GaN MQWs (for violet and blue operation) with a high radiative efficiency up to T=300K. This unique Nitride-on-Silicon platform could be released into a membrane by the selective under-etching of the silicon substrate.We present a series of microdisk lasers operating at room temperature under pulsed optical excitation over a broad spectral range extending from 275nm to 470nm. All microdisks present a Q factor above 1000 and reach 4000 in the best resonators. We are able to investigate the gain threshold of the different active layers. The microlasers operate under pulsed optical excitation, and the lasing threshold is reduced by a factor 10 from deep-UV GaN/AlN microdisks to the violet InGaN/GaN ones. This work allows us to expect a variety of integrated photonics applications, including for example multi-color integrated laser sources: we demonstrate here the versatility of this nitride-on-silicon platform, and the first realization on this platform of efficient active layers for a tunable lasing action over a 200nm broad UV to visible spectral range. [1,2].Acknowledgements: The authors acknowledge support from the projects GANEX (ANR-11-LABX-0014) and QUANONIC (ANR-13-BS10-0010). GANEX belongs to the public funded 'Investissements d'Avenir' program managed by the French ANR agency. This work was also partly supported by the RENATECH network.REFERENCES1.Sellés et al., APL 109, 231101 (2016)2.Sci. Rep. 6, 21650 (2016)

Ce travail de doctorat est dédié à l’étude des mécanismes régissant l’interaction lumière-matière dans des dispositifs optoélectroniques à base d’alliages (Al,Ga,In,)N. Diverses compositions de ces alliages sont assemblées en structures multicouches de matériaux d’épaisseurs nanométriques afin d’obtenir une émission à plus grande longueur d’onde que le bleu, couleur pour laquelle la technologie est mature depuis plus de vingt ans. Il s’agit de réaliser des émetteurs efficaces de lumière jaune, verte ou blanche (avec une approche alternative au pompage optique de luminophore par une diode bleue). Les solutions solides assemblées pour obtenir des émissions à grandes longueur d’onde sont à base de GaN et de Ga0.8In0.2N, matériaux pour lesquels les mailles cristallographiques sont désaccordées. Lorsqu’elles sont déposées sur un substrat ou un pseudo-substrat de GaN, matériau pour lequel les dopages n et p sont maitrisés et permettent l’injection électrique des porteurs, les tranches de Ga0.8In0.2N subissent de très fortes compressions dans leur plan de croissance et l’énergie élastique est relaxée par la formation de défauts délétères pour le rendement lumineux. Nous avons construit des hétéro-structures plus complexes en intercalant une couche complémentaire d’Al0.2Ga0.8N afin de réduire la densité d’énergie élastique globale. L’insertion de telles couches améliore la qualité cristalline et augmente leur rendement optique. Nous avons mesuré le rendement quantique interne en utilisant la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps et une analyse des temps de déclins par une approche de type Lotka-Volterra des équations de recombinaison pour obtenir les taux de recombinaisons radiatifs et non-radiatifs. Nous avons montré quantitativement comment les champs électriques internes résultant du contraste de polarisation électrique aux interfaces et les recombinaisons non-radiatives de type Schockley-Read-Hall contribuent à définir le rendement quantique à faible densité d’excitations (optique ou électrique). L’objectif est l’obtention d’une émission spontanée intense pour une densité d’excitation modérée. Nous avons donc conduit une campagne d’expériences en variant l’intensité d’injection. Nous avons montré que l’effet Auger est le facteur dominant régissant la chute du rendement quantique interne sous fortes densités d’injection. Nous avons étudié diverses architectures à simple puits quantique ou à puits quantiques multiples émettant à des longueurs d’onde identiques pour quantifier l’influence spécifique de l’effet Stark confiné quantique. Nous avons corrélé l’apparition d’un seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger avec l’augmentation du temps de recombinaison radiative et de l’énergie de localisation des porteurs dans l’alliage inhomogène. Nous arrivons à la conclusion que la localisation des porteurs produite par le champ électrique aux interfaces et les fluctuations de la composition chimique de Ga0.8In0.2N contribuent de concert, facilitant l’interaction répulsive électron-électron et la recombinaison non-radiative Auger nnp. Nous avons montré que le modèle ABC permet de bien décrire la physique du phénomène si ses trois paramètres tiennent compte des effets d’écrantages sous injections modérées et des effets de remplissage de l’espace des phases sous fortes injections. Enfin, nous nous sommes écartés de l’étude des structures traditionnellement épitaxiées selon le plan polaire (0001) pour choisir des plans d’épitaxie semi-polaire (11-22). Dans ces conditions, il a été nécessaire de fabriquer des puits quantiques en Ga0.65In0.35N. Nous avons montré que la quasi-absence d’effet Stark confiné quantique augmente de manière très significative le seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger. Cette amélioration par rapport aux échantillons épitaxiés selon le plan (0001) est d’autant plus marquée que la longueur d’onde émise est grande.

Quantum Dot based UV Light Emitting Diodes

High temperature electrical transport study of n-type Si-doped AlN

Light emission in polar group-III nitride quantum wells optically pumped at densities significantly below the lasing threshold is usually interpreted in terms of excitons. Such excitons are characterized by a non-zero dipole moment and long radiative lifetimes, because their constituent electron and hole are spatially separated by the built-in electric field in the growth direction. These features result in many interesting properties of dipolar excitons: they can propagate over large distances and thus cool down to the lattice temperature before recombination, offering the possibility for studies of cold and dense gas of interacting bosons. In this context, two important issues must be addressed: the strength of the exciton-exciton interaction, and the excitonic Mott transition, that sets the maximum density of excitons. Combining spatially and time-resolved photoluminescence in different excitation geometries, we provide a set of experimental data showing that the emission linewidth is proportional to the emission energy in a wide range of carrier densities and temperatures. The proportionality coefficient is almost temperature independent. These results are compared to the existing data in various material systems and discussed in terms of the Mott transition and its criteria, exciton-exciton interaction and its possible contribution to the linewidth, as well as the role of disorder in the density-dependent emission spectra.