Croissance et caractérisations structurales et optiques d'hétérostructures de nitrures d'éléments III émettant dans l'UV

par Vincent Fellmann

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bruno Daudin.

Soutenue le 13-01-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Service de Physique des Matériaux et des Microstructures (équipe de recherche) .

Le président du jury était Hubert Renevier.

Le jury était composé de Bruno Daudin, Katharina Lorenz, Didier Pique, Douglas Tobias, Agnes Front, Francois-xavier Merrien.

Les rapporteurs étaient Annick Loiseau, Fabrice Semond, Christoph Müller.


  • Résumé

    Nous avons étudié les propriétés structurales et optiques d'hétérostructures de nitrures d'éléments III. Les croissances ont été réalisées par épitaxie par jets moléculaires assistée plasma d'azote. L'étude a été en particulier axée sur des structures émettant dans l'UV, à des longueurs d'onde sub-300 nm. Pour atteindre cette longueur d'onde à l'aide de couches bidimensionnelles, il est nécessaire d'utiliser des alliages ternaires d'AlGaN à forte teneur en Al (supérieure à 50 %). Nous avons donc tout d'abord corrélé les résultats de techniques de caractérisation aux conditions de croissance. Ainsi, il est possible de contrôler en partie l'homogénéité de l'alliage grâce à la température de croissance et au rapport de flux métal/azote. Nous avons ensuite tenté d'appliquer ces résultats à des hétérostructures à puits quantiques AlGaN/AlGaN. D'autre part, nous avons réalisé des alliages digitaux (super-réseaux à courte période de puits quantiques GaN/AlN). Ceux-ci se sont montré une alternative intéressante aux couches 2D pour la réalisation de dispositifs émetteurs de lumière. Enfin, une part importante du manuscrit s'attache à l'étude des effets d'un recuit après la croissance et à haute température. Cette étude a été menée sur des couches d'AlGaN ainsi que sur des boites quantiques GaN/AlN. Pour les couches d'AlGaN, nous avons constaté une augmentation de l'inhomogénéité des couches après un recuit à 950 °C. Pour les boîtes quantiques GaN, nous avons constaté dès 1000 °C, un décalage vers le bleu de la luminescence. A 1300-1500 °C, des images TEM ont clairement montré la diffusion de Ga dans la matrice AlN au-dessus des boîtes quantiques.

  • Titre traduit

    Growth, structural and optical charaterization of III-V nitride heterostructures for UV light emission


  • Résumé

    We studied the structural and optical properties of III-nitride heterostructures. The growth were achieved by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The study was particularly focused on structures emitting in the UV range at sub-300 nm wavelengths. To achieve this wavelength using two-dimensional layers, it is necessary to use ternary AlGaN alloys with high Al content (above 50%). So we first correlated the results of characterization techniques to growth conditions. As a result, we find that it is possible to partially control the alloy homogeneity with the growth temperature and metal/nitrogen flux ratio. Then, we tried to apply these results to AlGaN/AlGaN quantum well heterostructures . On the other hand, we have made digital alloys (short-period GaN/AlN quantum well superlattices). They appeared as an interesting alternative to 2D layers for the realization of light emitting devices. Finally, an important part of the manuscript focuses on studying the effects of post growth annealing, at high temperature. This study was conducted on AlGaN layers and on GaN/AlN quantum dots. For AlGaN layers, we found an increase in the inhomogeneity of the alloy after annealing at 950 °C. For GaN quantum dots, a blue shift of the luminescence is observed for annealig temperature as low as 1000 °C. At 1300-1500 ° C, TEM images clearly showed the diffusion of Ga in the AlN matrix above the quantum dots.


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