Etude des propriétés optiques de nanostructures quantiques semi-polaires et non-polaires à base de nitrure de gallium (GaN)

par Daniel Rosales

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bernard Gil et de Thierry Bretagnon.

Soutenue le 10-12-2015

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb / L2C (laboratoire) .

Le président du jury était Guillaume Cassabois.

Le jury était composé de Bernard Gil, Thierry Bretagnon, Guillaume Cassabois, Gérald Bastard, Guy Feuillet, Julien Brault, Amélie Dussaigne.

Les rapporteurs étaient Gérald Bastard, Guy Feuillet.


  • Résumé

    Nous étudions les propriétés optiques de nanostructures (Al,Ga)N/GaN crûes selon diverses orientations cristallographiques. Les orientations concernées sont : le plan non-polaire (1-100) ou plan m ; le plan semi-polaire (1-101) ou plan s ; et le plan semi-polaire (11-22). Dans un premier temps, nous nous consacrons à l'étude de l'anisotropie de la réponse optique de puits quantiques crûs selon les plans m et s. Dans un deuxième temps, nous évaluons les effets de la température sur les propriétés optiques de ces puits quantiques en utilisant la technique de photoluminescence résolue en temps qui permet d'obtenir des informations concernant les phénomènes radiatifs et non-radiatifs. S'agissant des durées de vie radiatives, nous avons mis en évidence la contribution de deux régimes de recombinaison: celui des excitons localisés, lequel est caractérisé par une durée de vie constante; et celui des excitons libres dont la durée de vie croit linéairement avec la température. Pour tous les échantillons que nous avons étudié, le régime d'excitons localisés domine à basse température alors que le régime d'excitons libres domine à haute température. Nous avons ainsi caractérisé la qualité des interfaces des puits quantiques (Al,Ga)N/GaN à partir de la détermination d'un modèle de la densité d'états de localisation. Nous trouvons qu'elle est, dans nos échantillons, encadrée par des valeurs comprises entre 10^11 - 10^12 cm-2. Notre étude montre que les puits orientés (11 22) présente la plus faible densité, et que les puits orientés selon le plan s sont les moins affectés par les phénomènes non-radiatifs. Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de nanostructures crûes selon le plan (11-22) pour diverses conditions de croissance. En faisant varier celles-ci, il est possible d'obtenir des boites quantiques, des fils quantiques, ou des puits quantiques. L'étude de la dynamique de recombinaison des excitons dans ces nanostructures (11-22) montre une dépendance en température de la durées de vie radiative en fonction du degré de confinement : constante pour les boîtes quantiques; proportionnelle à racine de T pour les fils ; linéaire pour les puits. Cette étude démontre la richesse de possibilités de nanostructures crûes sur des orientations non-traditionnelles elle mets en perspective de nouvelles études de croissance cristalline de nano-objets pour des applications inédites en optoélectroniques.

  • Titre traduit

    Optical properties of non-polar and semi-polar GaN nanostructures


  • Résumé

    We study the optical properties of (Al,Ga)N/GaN nanostructures grown along several crystallographic orientations. The involved orientations are: the non-polar (1-100) plane or m-plane; the semi-polar (1-101) or s-plane; and the semi-polar (11-22) plane. First, we focus on the study of the anisotropy of the optical response of quantum wells grown in m- and s-planes. Second, we evaluate the effects of the temperature on optical properties of these quantum wells by extensive utilization of the time-resolved photoluminescence technique. It allows to obtain information regarding the evolution of radiative and non-radiative phenomena with temperature. Concerning radiative decay times, we have discriminated the contributions of two recombination regimes: the recombinations of localized excitons characterized by a constant decay time; and the recombinations of free excitons whose decay time increases linearly with the temperature. For all samples studied here, the regime of recombination of localized excitons dominates at low temperature and the regime of recombination of free excitons dominates at high temperature. In addition, we characterized the quality of (Al,Ga)N/GaN interfaces by the determination of the density of localization states. The values are ranging between 10^11 cm-2 and 10^12 cm-2 in our samples. This study demonstrates that (11-22)-oriented quantum wells exhibit the lowest density, and we find that the optical properties of s-plane oriented wells are the less impacted by the non-radiative phenomena. Third, we concentrated on the characterization of nanostructures grown along (11-22) plane direction under very different growth conditions. By modifying them, it is possible to obtain either quantum dots, or quantum wires or quantum wells. The study of the exciton recombination dynamics in these (11-22)-oriented nanostructures reveals a temperature dependence of radiative decay times correlated with the dimensions of the confining potentials: it is constant for the quantum dots; proportional to square root of T for quantum wires; and linear for quantum wells. This study demonstrates the potentialities of the nanostructures grown on non-traditional orientations for optoelectronic applications.


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