Croissance par épitaxie par jets moléculaires et détermination des propriétés structurales et optiques de nanofils InGaN/GaN

par Gabriel Tourbot

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Bruno Daudin.

Soutenue le 11-06-2012

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

Le président du jury était Hubert Renevier.

Le jury était composé de Bruno Daudin, Mathieu Kociak, Henning Riechert, Philippe Gilet.

Les rapporteurs étaient Frank Glas, Pierre Lefebvre.


  • Résumé

    Ce travail a porté sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires de nanofils InGaN/GaNsur Si (111).Le dépôt d'InGaN en conditions riches azote sur des nanofi ls GaN pré-existants permet deconserver la structure colonnaire. La morphologie des nanofi ls s'est révélée dépendre fortementdu taux d'indium utilisé dans les fl ux. A faible taux nominal d'indium celui-ci se concentre dansle coeur du fi l, ce qui résulte en une structure coeur-coquille InGaN-GaN spontanée. Malgré letaux d'indium important dans le coeur, la relaxation des contraintes y est entièrement élastique.La luminescence est dominée par des eff ets de localisation de porteurs qui donnent lieu à unebonne tenue en température. Au contraire, à plus fort flux nominal d'indium il y a relaxationplastique des contraintes et aucune séparation de phase n'est observée.L'étude d'insertions InGaN permet de con firmer que, malgré le faible diamètre des nano fils, lacroissance est dominée par la nécessité de relaxation des contraintes, et la nucléation de l'InGaNse fait sous la forme d'un îlot facetté. Il en résulte une incorporation préférentielle de l'indiumau sommet de l'îlot, et donc un gradient radial de composition qui se développe en structurecoeur-coquille spontanée au cours de la croissance.Au contraire, la croissance en conditions riches métal entraîne une croissance latérale trèsimportante, nettement plus marquée dans le cas d'InGaN que de GaN : l'indium en excès a une ffet surfactant qui limite la croissance axiale et favorise la croissance latérale.

  • Titre traduit

    Structural and optical properties of MBE-grown InGaN/GaN nanowire heterostructures for LEDs


  • Résumé

    This work reports on the molecular-beam-epitaxial growth of InGaN/GaN nanowires on Si(111) substrates.The deposition of InGaN in nitrogen-rich conditions on preexisting GaN nanowires allows usto maintain the columnar structure. Wire morphology varies strongly with the indium concentrationin the fluxes. At low nominal In flux, it concentrates in the wire core, resulting in aspontaneous InGaN-GaN core-shell structure. In spite of the high indium content in the core,strain relaxation is purely elastic in these structures. On the other hand, using higher nominal Influxes lead to plastic relaxation and no phase separation is observed. Luminescence is dominatedby carrier localization phenomena, allowing for a low quenching of the emission up to roomtemperature.Studying InGaN insertions con firms that in spite of the small diameter of the wires, growthis dominated by strain relaxation e ffects, and InGaN nucleates as facetted islands. The incorporationof indium occurs preferentially at the top of the islands, resulting in a radial compositiongradient which leads to the spontaneous growth of a core-shell structure.Growth in metal-rich conditions results in a very strong lateral growth, far superior for InGaNthan for GaN : excess In has a surfactant e ffect limiting the axial growth rate and promotinglateral growth.


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