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Maria Spies

Études électro-optiques et TEM corrélées sur nanofils hétérostructurés III-N uniques

Publié le 17 octobre 2019

Thèse soutenue le 17 octobre 2019 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
Les nanofils (NW) sont des blocs de construction prometteurs pour les futures architectures optoélectroniques nécessitant une miniaturisation avancée. La relaxation des contraintes, la sensibilité de surface élevée et les propriétés optiques de ces structures apportent des propriétés intéressantes par rapport à des couches bidimensionnelles classiques. Les NW sont également une plateforme potentielle pour étudier les phénomènes quantiques. En pensant aux boîtes quantiques (QD) intégrés dans les NW, il est facile de contrôler leur emplacement, leur taille et leur densité et de synthétiser des QD de haute qualité cristalline en raison de la relaxation de déformation élastique à la surface du NW. Tous les NW étudiés dans ce projet étaient des NW de nitrures d'éléments III crus par épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma.
Pour étudier les phénomènes quantiques et à l'échelle nanométrique, il est crucial d'analyser le même objet avec une approche multi-technique. Dans le cadre de ce projet, cet objectif est atteint grâce à la fabrication de puces à membrane Si3N4 compatibles avec la microscopie électronique à transmission (TEM). Les NW sont placés et contacté sur ces membranes avant la caractérisation. Les résultats des mesures électriques, de photocourant, de micro-photoluminescence (µPL) et de TEM à balayage sont corrélés et comparés aux calculs théoriques.
En vue de l’utilisation des NW comme photodétecteurs, nous avons étudié une conception de NW incorporant un super-réseau axial GaN / AlN. La présence de l'hétérosturucture entraîne une réduction du courant d'obscurité et une augmentation du photocourant sous excitation ultraviolette. Les dimensions et le profil de dopage de l’hétérostructure ont également été conçus de manière à ce que l’application d’une polarisation entraîne une amélioration de la collection de porteurs photogénérés provenant soit du super-réseau GaN / AlN soit de la base de GaN. Ainsi, les dispositifs affichent une réponse améliorée dans les fenêtres spectrales ultraviolettes B (~ 280-330 nm) / A (~ 330-360 nm) sous polarisation positive / négative.
D'autre part, la linéarité de la réponse du photodétecteur en fonction de la puissance optique incidente est cruciale pour la quantification de la lumière entrante. Cependant, il a été démontré que dans de nombreux systèmes matériels les détecteurs à NW ont une réponse sous-linéaire. Dans ce travail, nous avons montré qu’une dépendance linéaire peut être obtenue dans les NW avec une insertion AlN / GaN / AlN si leur diamètre est inférieur à une valeur critique, ce qui correspond à la déplétion totale du NW en raison de l'ancrage du niveau de Fermi sur les parois latérales. Dans le cas des NW qui ne sont que partiellement déplétés, leur non-linéarité s'explique par une variation non linéaire du diamètre de leur canal conducteur central sous illumination.
Enfin, la manipulation du champ électrique dans un QD est importante pour des applications potentielles et pour comprendre en détail leurs propriétés électroniques. Dans ce projet, nous avons étudié l’accordabilité spectrale de l’émission d’un QD AlN / GaN / AlN dans un NW de GaN par application de tensions externes. Les mesures de µPL sur des NW uniques contactés électriquement ont montré une seule ligne d'émission dans la région spectrale allant de 283 nm à 321 nm (en fonction de la taille de la boîte), qui se décale à une vitesse de 1,0 nm / V sous application d’une tension externe. L'émission se décale vers le bleu lorsque le champ électrique externe compense le champ électrique interne généré par la polarisation spontanée et piézoélectrique. Dans les petits QD, nous avons observé une commutation spectrale de l'émission sous tension, qui est attribuée au passage de l'exciton à d'autres états chargés. La corrélation entre TEM, µPL et les calculs théoriques montrent que la base et le sommet des NW sont très conducteurs et que la tension appliquée chute aux bords de l'hétérostructure AlN / GaN / AlN.

Jury :
Rapporteur : Monsieur Lorenzo Rigutti
Rapporteur : Monsieur Tobias Voß
Examinateur : Monsieur Fernando Calle
Examinateur : Monsieur Julien Pernot
Examinateur : Monsieur Helge Weman
Directeur de thèse : Monsieur Bruno Gayral
Co-directeurs de thèse : Martien I. den Hertog et Eva Monroy

Mots clés :
GaN, nanofil, photodétecteur, hétérostructure, boîte quantique