Nanofils de GaN/AlN : nucléation, polarité et hétérostructures quantiques

par Thomas Auzelle

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Bruno Daudin.

Soutenue le 11-12-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec CEA Tech (laboratoire) .

Le président du jury était Hubert Renevier.

Le jury était composé de Bruno Gayral, Sergey Ivanov, Ludovic Largeau.

Les rapporteurs étaient Henning Riechert, Mathieu Leroux.


  • Résumé

    Usant de certaines conditions, la croissance épitaxiale de GaN sur un large panel de substrats donne lieu à une assemblée de nanofils. Cette géométrie filaire peut permettre la croissance d'hétérostructures libres de tous défauts cristallins étendus, ce qui les rendent attractives pour créer des dispositifs de hautes performances. En premier lieu, mon travail de thèse a visé à clarifier le mécanisme de nucléation auto-organisé des nanofils de GaN sur substrat de silicium. Dans ce but, une étude approfondie de la couche tampon d'AlN, déposée préalablement à la nucléation des nanofils, a été réalisée, mettant en évidence une inattendue forte réactivité de l'Al avec le substrat. La nécessité de la polarité azote pour la croissance des nanofils de GaN a été mise en lumière, bien que des nanofils contenant dans leur cœur un domaine de polarité Ga ont également été observés. Dans ces nanofils, une paroi d'inversion de domaine est présente et a été démontrée être optiquement active, exhibant une photoluminescence à 3.45 eV. Ensuite des hétérostuctures filaires GaN/AlN ont été synthétisée pour des caractérisations structurales et optiques. Il a été montré que le mode de croissance de l'hétérostructure peut être changé en fonction du diamètre du nanofil. En dernier lieu, en prenant avantage de la géométrie cylindrique des nanofils, des mesures de diffusion de porteurs de charge ont été réalisées dans des nanofils de GaN et d'AlN.

  • Titre traduit

    GaN/AlN nanowires : nucleation, polarity and quantum heterostructures


  • Résumé

    Using specific conditions, GaN can be epitaxially grown on a large variety of substrates as a nanowire (NW) array. This geometry allows the subsequent growth of wire-like heterostructures likely free of extended defects, which makes them promising for increasing device controllability and performance. First, my PhD work has been devoted to the understanding of self-organized nucleation of GaN NWs on silicon substrates. For this purpose, a deep characterization of the growth mechanism of the AlN buffer deposited prior to NW nucleation has been done, emphasizing an unexpected large reactivity of Al with the substrate. The requirement of the N polarity to nucleate GaN NWs has been evidenced, although the possible existence of NWs hosting a Ga polar core has been observed as well. In these NWs, an inversion domain boundary is present and has been demonstrated to be optically active, having a photoluminescence signature at 3.45 eV. Next, GaN/AlN wire heterostructures have been grown for structural and optical characterization. It has been shown that by changing the wire diameter, different growth mode for the heterostructure could be reached.At last, thanks to the cylindrical geometry of NWs, the measurement of diffusion length for charge carriers in GaN and AlN NWs have been performed.


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