Epitaxie de GaN sur substrat de graphène

Epitaxy of GaN on graphene substrate

• Auteur / Autrice : Camille Barbier
• Direction : Jean-Christophe Harmand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 18/03/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Vidal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Harmand, Ludovic Largeau, Maria Tchernycheva, Christophe Durand, Marie-Ingrid Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Trassoudaine, Jean-Paul Salvestrini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Nitrure de gallium

Composés semiconducteurs

Nanofils

Mots clés libres

GaN

Graphène

Croissance cristalline

EJM

EPVOM

Nanofils

Micro-domaines

GaN

Graphene

Crystal growth

EJM

EPVOM

Nanowires

Micro-domains

Résumé

De par leurs excellentes propriétés physiques, les nitrures d’éléments III sont des semi-conducteurs très prisés pour la fabrication de dispositifs micro-électroniques et opto-électroniques. Bien que de nombreux dispositifs à base d’alliages III-N soient d’ores et déjà commercialisés, leurs performances peuvent rester impactées par une densité importante de défauts dans les couches actives. Cela est lié à l’absence de substrat natif de III-N, disponible à bas coût. Actuellement, la fabrication de ces couches est réalisée par hétéroépitaxie, c’est-à-dire sur des substrats massifs de nature différente. Il apparaît donc important d’identifier un substrat alternatif pour améliorer la qualité cristalline des couches actives. Dans ce contexte, j’ai cherché à élaborer des domaines de GaN monocristallins et de taille micrométrique, pouvant servir à la fabrication d’un dispositif unique sur chacun d’eux. J’ai utilisé un procédé novateur reposant sur deux étapes importantes : (i) l’épitaxie par jets moléculaires (EJM) de nanostructures d’excellente qualité cristalline sur un substrat ultimement mince et compliant : le graphène transféré sur silice ; (ii) l’élargissement latéral de ces nanostructures par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM). Mes résultats ont tout d’abord illustré la problématique de la nucléation du GaN sur le graphène et plus généralement, d’un matériau 3D (d’orbitales sp3) sur un matériau 2D (d’orbitales sp2). Une très longue durée d’incubation est notamment observée avant nucléation des premiers germes de GaN. J’ai cherché à expliquer l’origine de ce temps d’incubation et identifié des conditions expérimentales permettant de le raccourcir. J’ai mis en évidence d’importantes modifications structurales du graphène qui surviennent pendant l’incubation. Il est probable que ces modifications représentent des sites d’ancrage pour la nucléation du GaN. Puis l’état de contrainte des premiers germes de GaN a été mesuré in situ à l’ESRF. Nous avons mis en évidence une contrainte en tension du GaN de 0.8%, au tout début de la nucléation. Un scénario de croissance reprenant nos divers résultats expérimentaux est proposé. J’ai aussi montré qu’on peut réaliser une épitaxie sélective de nanofils de GaN sur de très petits motifs de graphène structurés sur la silice. Des conditions optimisées ont permis d’obtenir un nanofil unique par motif. Mes résultats préliminaires sur l’étape d’élargissement latéral des nanofils démontrent la possibilité d’obtenir des cristaux micrométriques de GaN sans défauts étendus. J’ai étudié leur cinétique de croissance à l’aide de marqueurs d’AlN. On atteint un régime de croissance fortement anisotrope correspondant à l’avancée de facettes verticales, condition idéale pour développer des micro-templates de GaN. Cette approche par épitaxie sélective sur des motifs de graphène offre des perspectives très prometteuses pour le transfert de micro-dispositifs vers un substrat hôte, différent du matériau support de croissance.

Due to their excellent physical properties, III-nitrides are highly prized semiconductors for the fabrication of microelectronic and optoelectronic devices. Although many III-N-based devices are already on the market, their performances can still be impacted by a high density of defects in the active layers. This is due to the lack of a native III-N substrate available at low cost. These III-N layers are currently grown by heteroepitaxy, i.e. on a bulk substrate of different nature. It therefore appears important to identify an alternative substrate to improve the crystalline quality of the active layers. In this context, my PhD work aims at the elaboration of monocrystalline GaN domains of micrometric size that can be used to fabricate a single device on each of them. I used an innovative process based on two important steps: (i) molecular beam epitaxy (MBE) of nanostructures of excellent crystal quality on an ultimately thin and compliant substrate, i.e. a single graphene layer transferred onto silica; (ii) lateral regrowth of these nanostructures by organometallic vapor phase epitaxy (EPVOM). My results first illustrated the problem of GaN nucleation on graphene and, more generally, of a 3D material (with sp3 orbitals) on a 2D material (with sp2 orbitals). In particular, a very long incubation period is observed before nucleation of the first GaN seeds. I have tried to explain the origin of this incubation time and identified experimental conditions to shorten it. I have shown that the incubation results in important structural modifications of graphene. It is likely that these modifications create GaN nucleation sites. Then, we measured in situ the deformation of the first GaN nuclei at ESRF. At the very beginning of nucleation, GaN is under a tensile strain of 0.8%. A growth scenario based on all these experimental observations is proposed. I also showed that selective epitaxy of GaN nanowires is possible on very small graphene patches on silica. With optimized conditions, I could obtain a single nanowire per patch. My preliminary results on the lateral regrowth step demonstrate the possibility to obtain micrometer-size GaN crystals without extended defects. I studied their growth kinetics using AlN markers. A highly anisotropic growth regime corresponding to the progression of vertical facets can be reached. This represents an ideal condition for developing GaN micro-templates. This approach by selective epitaxy on patterned graphene offers very promising prospects for the transfer of micro-devices to a host substrate, different from the growth support material.