Thèse soutenue le 01 octobre 2021 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
L'objectif de cette thèse était de développer une méthodologie pour l’étude des nanostructures de semi-counducteurs nitrures par microscopie corrélative, en corrélant leurs caractéristiques structurales et chimiques avec leurs performances optiques. Comme première expérience, nous décrivons la croissance par épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma de super-réseaux de boîtes quantiques (QD) AlGaN/AlN insérés dans des nanofils (NW) de GaN auto-assemblés pour une application dans des sources ultraviolettes pompées par électrons. Les performances optiques des super-réseaux sur les NW sont comparées à l'émission de puits multi-quantiques. Les ensembles NW atteignent une efficacité quantique interne (IQE) supérieure à 60 % à température ambiante. L'IQE reste stable pour des densités de puissance d'excitation élevées, jusqu'à 50 kW/cm². Nous démontrons que le super-réseau est suffisamment long pour collecter les paires électron-trou générées par un faisceau d'électrons avec une tension d'accélération VA = 5 kV. Ces résultats sont intéressants pour l'application de telles nanostructures à la fabrication de lampes ultraviolettes. Cependant, compte tenu des difficultés liées à la préparation des échantillons, nous avons décidé de concentrer nos efforts de microscopie corrélative sur les QD InGaN/GaN Stransky-Krastanov. Dans ce cas, les échantillons de microscopie peuvent être préparés par faisceau d'ions focalisé, et ils présentent une efficacité d'émission plus élevée que les NW AlGaN/AlN lorsqu'ils sont injectés optiquement in situ dans un système de tomographie par sonde atomique (APT).
Notre étude en microscopie corrélative des boîtes quantiques (QD) a combiné la caractérisation chimique et optique à haute résolution par APT, la micro-photoluminescence in-situ et la cathodoluminescence ex-situ. Nous démontrons que les informations extraites par ces techniques permettent la modélisation précise des nanostructures, obtenant un excellent accord avec les mesures optiques. Au cours de l'expérience APT, il a été possible de résoudre des raies d'émission des QD uniques, qui présentent un décalage spectral attribué à la relaxation de la déformation élastique due à l'évaporation du matériau. Nous avons également étudié l'effet des défauts étendus et ponctuels sur la luminescence de telles structures QD. Nous avons observé que l'intensité d'émission est plus élevée dans les couches QD supérieures (plus proches de la surface) et qu'elle n'est pas corrélée à la densité de dislocation. Ce résultat met en évidence la pertinence d'insérer des sous-couches d'InGaN pour enterrer les défauts ponctuels non radiatifs.

Jury :
Présidente : Madame Catherine Bougerol
Rapporteur : Monsieur Mathieu Kociak
Rapporteur : Monsieur Olivier Durand
Examinateur : Monsieur Martin Eickhoff
Examinatrice : Madame Rachel Oliver
Invité : Monsieur Frédéric de Geuser
Directrice de thèse : Madame Eva Monroy
Co-directeur de thèse : Monsieur Lorenzo Rigutti
Co-encadrante : Madame Adeline Grenier

Mots clés :
GaN, AlN, nanofil, ultraviolet, InGaN, boîtes quantiques, microscopie corrélative, luminescence, tomographie par sonde atomique, cathodoluminescence et photoluminescence

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