Effect of extended defects on AlGaN QDs for electron-pumped UV-emitters

We study the origin of bimodal emission in AlGaN/AlN QD superlattices displaying high internal quantum efficiency (around 50%) in the 230-300 nm spectral range. The secondary emission at longer wavelengths is linked to the presence of cone-like defects starting at the first AlN buffer/superlattice interface and propagating vertically. These defects are associated with a dislocation that produces strong shear strain, which favors the formation of 30{\deg} faceted pits. The cone-like structures present Ga enrichment at the boundary facets and larger QDs within the defect. The bimodality is attributed to the differing dot size/composition within the defects and at the defect boundaries, which is confirmed by the correlation of microscopy results and Schr\"odinger-Poisson calculations

Development of AlGaN nanostructures for the fabrication of electron-pumped UV emitters

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.This project is a contribution to the development of high-brightness, mercury-free, 100% recyclable and high-gloss ultraviolet (UV) lamps for disinfection at 270 nm. The performance of AlGaN-based UV LEDs remains limited by carrier injection problems, due to the high activation energy of dopants in this material and the difficulties to implement ohmic contacts. To circumvent these problems, we propose to pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam. For investigating the active media for electron-pumped UV lamps for disinfection, two types of heterostructures are considered, namely AlGaN/AlN quantum dots (QDs) embedded in GaN nanowires (NWs) synthesized on Si(111) substrates and AlGaN/AlN QDs grown by the Stranski-Krastanov (SK) method on AlN-on-sapphire templates. These choices were based on the high internal quantum efficiency (IQE) that can be achieved in QDs thanks to the three dimensional confinement of carriers. The growth of all the structures was performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy.The first stage of the work involved establishing the feasibility of QDs on NWs for this application. Structural and optical studies demonstrated that the QD dimensions were quite homogeneous along the 400-nm-long superlattice (SL), giving a single emission line tunable in the range from 340 to 258 nm. We demonstrated IQE levels higher than 60% at 340 nm at room temperature, decreasing when reducing the emission wavelength. At 270 nm, the IQE was around 30%. These values were obtained under low injection, but remain stable for pumping densities up to 200 kW/cm2. Under electron beam pumping, channeling effects due to the NW geometry can be compensated by increasing the active region length by 60% in comparison to planar layers. The external quantum efficiency under optical pumping provides promising results (3.42±0.55%).The second stage of the work involved studying AlGaN/AlN SK-QD SLs. It is demonstrated that by modifying the III/V ratio and/or the composition of the QDs, the peak emission wavelength can be tuned from 225 nm to 335 nm while keeping the IQE around 50% in the 250-335 nm range, and higher than 35% in the 225-250 nm range. The IQE of these nanostructures remain stable from low to high injection power densities up to 200 kW/cm2. An average power efficiency of 0.38% is measured for as-grown structures, and that without any treatment to improve the light extraction efficiency or thermal management. These results are very promising for the development of an efficient, environment friendly UV technology for disinfection

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

This project is a contribution to the development of high-brightness, mercury-free, 100% recyclable and high-gloss ultraviolet (UV) lamps for disinfection at 270 nm. The performance of AlGaN-based UV LEDs remains limited by carrier injection problems, due to the high activation energy of dopants in this material and the difficulties to implement ohmic contacts. To circumvent these problems, we propose to pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam. For investigating the active media for electron-pumped UV lamps for disinfection, two types of heterostructures are considered, namely AlGaN/AlN quantum dots (QDs) embedded in GaN nanowires (NWs) synthesized on Si(111) substrates and AlGaN/AlN QDs grown by the Stranski-Krastanov (SK) method on AlN-on-sapphire templates. These choices were based on the high internal quantum efficiency (IQE) that can be achieved in QDs thanks to the three dimensional confinement of carriers. The growth of all the structures was performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy.The first stage of the work involved establishing the feasibility of QDs on NWs for this application. Structural and optical studies demonstrated that the QD dimensions were quite homogeneous along the 400-nm-long superlattice (SL), giving a single emission line tunable in the range from 340 to 258 nm. We demonstrated IQE levels higher than 60% at 340 nm at room temperature, decreasing when reducing the emission wavelength. At 270 nm, the IQE was around 30%. These values were obtained under low injection, but remain stable for pumping densities up to 200 kW/cm2. Under electron beam pumping, channeling effects due to the NW geometry can be compensated by increasing the active region length by 60% in comparison to planar layers. The external quantum efficiency under optical pumping provides promising results (3.42±0.55%).The second stage of the work involved studying AlGaN/AlN SK-QD SLs. It is demonstrated that by modifying the III/V ratio and/or the composition of the QDs, the peak emission wavelength can be tuned from 225 nm to 335 nm while keeping the IQE around 50% in the 250-335 nm range, and higher than 35% in the 225-250 nm range. The IQE of these nanostructures remain stable from low to high injection power densities up to 200 kW/cm2. An average power efficiency of 0.38% is measured for as-grown structures, and that without any treatment to improve the light extraction efficiency or thermal management. These results are very promising for the development of an efficient, environment friendly UV technology for disinfection.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

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

This project is a contribution to the development of high-brightness, mercury-free, 100% recyclable and high-gloss ultraviolet (UV) lamps for disinfection at 270 nm. The performance of AlGaN-based UV LEDs remains limited by carrier injection problems, due to the high activation energy of dopants in this material and the difficulties to implement ohmic contacts. To circumvent these problems, we propose to pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam. For investigating the active media for electron-pumped UV lamps for disinfection, two types of heterostructures are considered, namely AlGaN/AlN quantum dots (QDs) embedded in GaN nanowires (NWs) synthesized on Si(111) substrates and AlGaN/AlN QDs grown by the Stranski-Krastanov (SK) method on AlN-on-sapphire templates. These choices were based on the high internal quantum efficiency (IQE) that can be achieved in QDs thanks to the three dimensional confinement of carriers. The growth of all the structures was performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy.The first stage of the work involved establishing the feasibility of QDs on NWs for this application. Structural and optical studies demonstrated that the QD dimensions were quite homogeneous along the 400-nm-long superlattice (SL), giving a single emission line tunable in the range from 340 to 258 nm. We demonstrated IQE levels higher than 60% at 340 nm at room temperature, decreasing when reducing the emission wavelength. At 270 nm, the IQE was around 30%. These values were obtained under low injection, but remain stable for pumping densities up to 200 kW/cm2. Under electron beam pumping, channeling effects due to the NW geometry can be compensated by increasing the active region length by 60% in comparison to planar layers. The external quantum efficiency under optical pumping provides promising results (3.42±0.55%).The second stage of the work involved studying AlGaN/AlN SK-QD SLs. It is demonstrated that by modifying the III/V ratio and/or the composition of the QDs, the peak emission wavelength can be tuned from 225 nm to 335 nm while keeping the IQE around 50% in the 250-335 nm range, and higher than 35% in the 225-250 nm range. The IQE of these nanostructures remain stable from low to high injection power densities up to 200 kW/cm2. An average power efficiency of 0.38% is measured for as-grown structures, and that without any treatment to improve the light extraction efficiency or thermal management. These results are very promising for the development of an efficient, environment friendly UV technology for disinfection.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

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

This project is a contribution to the development of high-brightness, mercury-free, 100% recyclable and high-gloss ultraviolet (UV) lamps for disinfection at 270 nm. The performance of AlGaN-based UV LEDs remains limited by carrier injection problems, due to the high activation energy of dopants in this material and the difficulties to implement ohmic contacts. To circumvent these problems, we propose to pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam. For investigating the active media for electron-pumped UV lamps for disinfection, two types of heterostructures are considered, namely AlGaN/AlN quantum dots (QDs) embedded in GaN nanowires (NWs) synthesized on Si(111) substrates and AlGaN/AlN QDs grown by the Stranski-Krastanov (SK) method on AlN-on-sapphire templates. These choices were based on the high internal quantum efficiency (IQE) that can be achieved in QDs thanks to the three dimensional confinement of carriers. The growth of all the structures was performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy.The first stage of the work involved establishing the feasibility of QDs on NWs for this application. Structural and optical studies demonstrated that the QD dimensions were quite homogeneous along the 400-nm-long superlattice (SL), giving a single emission line tunable in the range from 340 to 258 nm. We demonstrated IQE levels higher than 60% at 340 nm at room temperature, decreasing when reducing the emission wavelength. At 270 nm, the IQE was around 30%. These values were obtained under low injection, but remain stable for pumping densities up to 200 kW/cm2. Under electron beam pumping, channeling effects due to the NW geometry can be compensated by increasing the active region length by 60% in comparison to planar layers. The external quantum efficiency under optical pumping provides promising results (3.42±0.55%).The second stage of the work involved studying AlGaN/AlN SK-QD SLs. It is demonstrated that by modifying the III/V ratio and/or the composition of the QDs, the peak emission wavelength can be tuned from 225 nm to 335 nm while keeping the IQE around 50% in the 250-335 nm range, and higher than 35% in the 225-250 nm range. The IQE of these nanostructures remain stable from low to high injection power densities up to 200 kW/cm2. An average power efficiency of 0.38% is measured for as-grown structures, and that without any treatment to improve the light extraction efficiency or thermal management. These results are very promising for the development of an efficient, environment friendly UV technology for disinfection.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

Electron beam pumped light emitting devices

International audienceAbstract Electron beam pumping is a promising technique to fabricate compact and efficient light emitters (lamps or lasers) in those spectral ranges where electrical injection is problematic due doping, transport and contacting issues. Interest in this technology has increased in recent years, particularly driven by the demand for ultraviolet sources and the difficulties in developing efficient AlGaN devices to cover the spectral range of 220-350 nm. The use of a highly energetic electron beam enables the semiconductor structure to be pumped without the need for doping or contacting. The active volume is defined by the accelerating voltage, which allows the homogeneous excitation of a large active volume. The efficiency of cathodoluminescent lamps can compete and even outperform LEDs in the deep ultraviolet window, and lasers can deliver high optical power (up to around 100 W). Here, we analyze the advantages and challenges of this technology platform, and discuss its potential applications

Study of AlxGa1-xN/AlN quantum dots in the whole compositional range as potential sources of far UVC for disinfection

International audienc

Study of AlxGa1-xN/AlN quantum dots in the whole compositional range as potential sources of far UVC for disinfection

International audienc

AlGaN/AlN Stranski–Krastanov Quantum Dots for Highly Efficient Electron Beam-Pumped Emitters: The Role of Miniaturization and Composition to Attain Far UV-C Emission

Conventional ultraviolet lamps for disinfection emit radiation in the 255–270 nm range, which poses a high risk of causing cancer and cataracts. To address these concerns, solid-state UV-C sources emitting below 240 nm are attractive as a safe and sustainable disinfection solution for occupied spaces. This article delves into the extension of AlxGa1–xN/AlN quantum dot (QD) technology toward the far UV-C range. The structural and optical impact of increasing the Al content in the QDs through the increase of the Al flux and eventual correction of the Ga flux, and the effect of extreme miniaturization of the QDs achieved by reducing their growth time, are explored. The internal quantum efficiency of self-assembled QDs, grown with a metal/N ratio ranging from 0.5 to 0.8, remains around 50% regardless of the Al content (up to 65%) or emission wavelength (300–230 nm). However, QDs emitting below 270 nm display bimodal luminescence due to inhomogeneous in-plane emission caused by fluctuations in the QD shape linked to extended defects. Reducing the QD size exacerbates this bimodality without altering the emission wavelength. Power efficiencies under electron beam pumping range from 0.4 to 1%, with the potential for improvement through surface treatments enhancing light extraction efficiency

Design of AlGaN/AlN Dot‐in‐a‐Wire Heterostructures for Electron‐Pumped UV Emitters

International audienceThis article describes the fabrication of nitrogen‐polar AlxGa1−xN/AlN (x = 0, 0.1) quantum dot (QD) superlattices (SLs) integrated along GaN nanowires (NWs) for application in electron‐pumped UV sources. The NWs are grown using plasma‐assisted molecular beam epitaxy on n‐type Si(111) wafers using a low‐temperature AlN nucleation layer. Growth conditions are tuned to obtain a high density of noncoalesced NWs. To improve the uniformity of the height along the substrate, the growth begins with a long (≈900 nm) NW base, with a diameter of 30–50 nm. The AlxGa1−xN/AlN active region is 400 nm long (88 periods of QDs), long enough to collect the electron–hole pairs generated by an electron beam with an acceleration voltage ≤5 kV. The spectral response is tuned in the 340–258 nm range by varying the dot/barrier thickness ratio and the Al content in the dots. Internal quantum efficiencies as high as 63% are demonstrated