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Matthias Belloeil

Croissance par épitaxie par jets moléculaires et caractérisation optique d'hétérostructures de nanofils GaN/AlGaN émettant dans l'ultraviolet

Publié le 12 mai 2007


Thèse soutenue le 12 mai 2007 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physqiue des Matériaux

Résumé :
Dans des conditions de croissance spécifiques, des sections nanofilaires d’AlGaN peuvent croître en épitaxie sur des bases nanofilaires de GaN. De telles croissances, effectuées par épitaxie par jets moléculaires dans le cadre dans le cas présent, permettent la caractérisation ultérieure de petits volumes d’AlGaN exempt de défauts étendus communément observés dans les couches planaires. Cette absence de défauts rend ces fils prometteurs pour les dispositifs optoélectroniques émettant dans l’ultraviolet. Cependant, la réalisation de tels composants nécessite de mieux comprendre les propriétés fondamentales des fils.La question des inhomogénéités d’alliage à l’échelle nanométrique reste notamment à éclaircir. Afin d’y voir plus clair, ces dernières ont été dans un premier temps étudiées dans cette thèse. Pour nos expériences, des nanofils d’AlGaN non-intentionnellement dopés (NID) ont été crûs dans des conditions variées afin d’ajuster potentiellement les fluctuations de composition de l’alliage et ainsi sonder éventuellement des centres de localisation de porteurs de taille et composition différentes. Il a premièrement été observé au moyen de méthodes de caractérisation structurale que la longueur des sections plus riches Al qui nucléent préférentiellement au sommet des fils de GaN peut être ajustée en variant les paramètres cinétiques de croissance, mettant en lumière un mécanisme de croissance gouverné par la cinétique. Des études optiques ont ensuite démontré que les fluctuations de composition induisent de la localisation et présentent un comportement de type boîte quantique. Ce dernier a été observé quel que soit les conditions de croissance explorées dans ce travail. Il est ensuite démontré que les régions plus riches Ga spontanément formés durant la synthèse de l’AlGaN partagent des propriétés µ-optiques similaires sur une plage de longueur d’onde d’émission donnée, pour toutes les conditions de croissance utilisées dans cette étude. De telles régions, émettrices de photons uniques, sont présentes à très petite échelle, puisque elles ont été également mises en évidence dans des nanodisques quantiques d’AlGaN très fins. En outre, le dopage des nanofils d’AlGaN, surtout de type p, est loin d’être totalement compris. En particulier, En particulier, le problème de l’incorporation ainsi que de l’activation optique et électrique dans les fils demeure nébuleux. Cette question a été étudiée pour des jonctions pn nanofilaires d’AlGaN dopées avec des atomes Mg et Si. Premièrement, des signatures propres à l’incorporation des dopants dans les nanofils ont été mises en exergue au travers de techniques de caractérisation structurale, avant que des jonctions pn AlGaN soient mises en évidence électriquement. De plus, des analyses optiques ont mis en lumière des dopants de type n et p optiquement actifs. Néanmoins, les dopants Mg ne sont que partiellement actifs électriquement en raison de la passivation par l’hydrogène mise en évidence par l’observation de complexes Mg-H. Pour résoudre ce problème, des recuits post-croissance ont été effectués. En parallèle, des jonctions pn nanofilaires d’AlN ont été préliminairement examinées et présentent des caractéristiques morphologiques intéressantes. En effet, des creux profonds ont été observés dans les fils et associés au dopage Mg effectué à basse température de croissance. La morphologie des fils peut être ajustée en jouant sur les paramètres cinétiques de croissance et sur l’effet surfactant des atomes Mg. En augmentant la température, les creux disparaissent tandis que la forme du sommet des fils, usuellement hexagonale, change pour devenir « étoilée », mettant en exergue des conditions de croissance très éloignées de l’équilibre thermodynamique. L’activation électrique des dopants n’a pas été observée jusqu’à présent dans ces jonctions pn d’AlN.

Jury :
Président : Hubert Renevier
Rapporteur : Enrique Calleja Pardo
Rapporteur : Raphaël Butté
Examinateur : Pierre Lefebvre
Examinateur : Joël Leymarie
Directeur de thèse : Bruno Daudin
Co-directeur de thèse : Bruno Gayral

Mots clés :
Émission UV, Caractérisation optique, Fluctuations de composition, Dopage, Nanofils AlGaN, Croissance EJM

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