In article number 1900164 by Abdallah Ougazzaden and co‐workers, III‐Nitride based LEDs have been locally grown on h‐BN and fabricated at a wafer‐scale. This enables a simple and a dicing‐free pick‐and‐place of the devices on a flexible substrate without performance degradation.

The mechanical release of III‐nitride devices using h‐BN is a promising approach for heterogeneous integration. Upscaling this technology for industrial level requires solutions that allow a simple pick‐and‐place technique of selected devices for integration while preserving device performance. An advance that satisfies both of these requirements is demonstrated in this work. It is based on a lateral control of the h‐BN quality, using patterned sapphire with a SiO2 mask, to achieve localized van der Waals epitaxy of high‐quality GaN based device structures. After process fabrication, the devices can be individually picked and placed on a foreign substrate without the need for a dicing step. In addition, this approach could reduce delamination of h‐BN on large diameter substrates because each h‐BN region is smaller, with independent device structures. Discrete InGaN LEDs on h‐BN are grown and fabricated on 2 in. patterned sapphire using a SiO2 mask. A set of devices are selectively released and transferred to flexible aluminum tape. The transferred LEDs exhibit blue light emission around 435 nm. The approach presented here is scalable on any wafer size, can be applied to other types of nitride‐based devices, and can be compatible with commercial pick‐and‐place handlers for mass production.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un semi-conducteur à large bande interdite (~ 6 eV) avec une stabilité thermique et chimique très élevées lui offrant la possibilité d'être utilisé dans des dispositifs fonctionnant dans des conditions de fonctionnements extrêmes. La nature indirecte de la bande interdite dans h-BN a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons dans h-BN ont été observées par photoluminescence.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de cristaux massifs et de couches hétéro-épitaxiales de nitrure de bore hexagonal. Nous avons étudié des échantillons provenant de différentes sources et des cristaux qui ont été fabriqués en utilisant différentes méthodes de croissance pour nous permettre de mesurer les propriétés optiques intrinsèques de h-BN. Nous rapportons l'impact des symétries des phonons sur la réponse optique du h-BN en effectuant des mesures photoluminescence résolues par polarisation. L’analyse des données en polarisation, nous permet de mesurer la contribution du phonon manquant, celui qui n'a pas été détectée avant cette thèse. En suite, nous démontrons que l'origine de la structure fine du spectre de PL provient pour chaque réplique phonon d’une diffusion complémentaire de type Raman faisant intervenir le mode de phonon E2g à basse énergie (mode de cisaillement inter-feuillets). Les spectroscopies de photoluminescence et de diffusion inélastique Raman ont été combinées pour quantifier l'influence des effets isotopiques sur les propriétés optiques de h-BN ainsi pour révéler que les modifications des interactions de van de Waals liées à l'utilisation de 10B et 11B ou du bore naturel pour la croissance de cristaux h-BN massifs.Enfin, nous étudions des epitaxis de h-BN crues par Épitaxie sous Jets Moléculaires. L'utilisation conjointe de l’imagerie par microscopie à force atomique (AFM) et de la spectroscopie de photoluminescence permet de comprendre la première observation de recombinaison assistée par phonons dans des épitaxies de h-BN sur le saphir et le graphite. Ce résultat indique que la croissance de h-BN à large échelle par méthode épitaxiales est en voie d'acquérir la maturité nécessaire au développement technologique de h-BN.

(Al,Ga)N quantum dots for deep UV LEDs

AlN epilayer properties (120 nm thick) grown by ammonia assisted molecular beam epitaxy on c-sapphire substrates with different low temperature AlN buffer layers (LT-BL) have been studied. The role of the LT-BL on the AlN structural and optical properties was investigated as a function of the LT-BL thickness and growth temperature. Optimum growth conditions were identified with LT-BL thickness of 3 nm and growth temperature between 480 degrees C and 520 degrees C. It was shown that by optimizing these conditions, a reduction of both mixed and edge threading dislocation densities up to 75% is achieved. The impact of the growth temperature of the AlN epilayer was also studied showing an additional improvement of the AlN crystal and morphological properties while growing at higher temperature. A correlation between the epilayer strain and the PL emission was also investigated. Finally, an Al0.7Ga0.3N:Si doped layer was grown on the top of the optimized AlN template showing a smooth surface with monoatomic steps and a roughness similar to 0.2 nm, confirming the potential of such templates for the fabrication of AlGaN based heterostructures.

The temperature-dependent optical response of excitons in semiconductors is controlled by the exciton-phonon interaction. When the exciton-lattice coupling is weak, the excitonic line has a Lorentzian profile resulting from motional narrowing, with a width increasing linearly with the lattice temperature T . In contrast, when the exciton-lattice coupling is strong, the line shape is Gaussian with a width increasing sublinearly with the lattice temperature, proportional to sqrt(T) . While the former case is commonly reported in the literature, here the latter is reported for hexagonal boron nitride. Thus the theoretical predictions of Toyozawa [Prog. Theor. Phys. 20, 53 (1958)] are supported by demonstrating that the exciton-phonon interaction is in the strong-coupling regime in this van der Waals crystal.

We investigate the opto-electronic properties of hexagonal boron nitride grown by high temperature plasma-assisted molecular beam epitaxy. We combine atomic force microscopy, spectroscopic ellipsometry, and photoluminescence spectroscopy in the deep ultraviolet to compare the quality of hexagonal boron nitride grown either on sapphire or highly oriented pyrolytic graphite. For both substrates, the emission spectra peak at 235 nm, indicating the high optical quality of hexagonal boron nitride grown by molecular beam epitaxy. The epilayers on highly oriented pyrolytic graphite demonstrate superior performance in the deep ultraviolet (down to 210 nm) compared to those on sapphire. These results reveal the potential of molecular beam epitaxy for the growth of hexagonal boron nitride on graphene, and more generally, for fabricating van der Waals heterostructures and devices by means of a scalable technology.