Croissance de nanofils de ZnO et d'hétérostructures coeur-coquilles ZnO/ZnMgO par MOVPE

MOVPE growth of ZnO nanowires and ZnO/ZnMgO core-shell heterostructures.

• Auteur / Autrice : Robin Thierry
• Direction : Joël Eymery, Pierre Ferret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 14/12/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information
• Jury : Président / Présidente : Daniel Le Si Dang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Galtier, Guy Saez, Pierre Muller, Francois-Xavier Merrien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Gendry, Jesus Zuniga-Perez, Vladimir e. Kravtsov

Mots clés

Mots clés libres

Nanostructure

Nanofil

ZnO

Croissance

Épitaxie

MOCVD

MOVPE

Optoélectronique

LED

Nanostructure

Nanowire

Nanorod

ZnO

Growth

Epitaxial

MOCVD

MOVPE

Optoelectronic

LED

Résumé

Ce travail porte sur la croissance par MOVPE et l’étude de structures à base de nanofilsde ZnO, semi-conducteur à large bande interdite directe (3,37 eV) qui possède un fort po-tentiel pour les applications optoélectroniques. Des observations systématiques par MEBet TEM de nanofils de ZnO crûs sur saphir, sous différentes conditions, renseignent surla formation de ces nanostructures et notamment sur l’importance de la polarité du ma-tériau. Les observations structurales par TEM révèlent l’absence de défaut étendu dansles nanofils. Dans un second temps, la croissance de structures à puits quantiques coeur-coquilles ZnO/ZnMgO est étudiée. L’imagerie de cathodoluminescence révèle l’émis-sion de puits quantiques axiaux (avec effet stark confiné) et radiaux. L’optimisation dela composition en Mg des barrières ZnMgO permet d’éviter la relaxation plastique dansles nanofils et montre une amélioration très significative de la tenue en température del’émission de photoluminescence des puits quantiques radiaux. Le rendement quantiqueinterne des meilleures structures est estimé à 54%. Enfin, la localisation de la croissancesur substrats structurés est démontrée. La morphologie ainsi que le taux de remplissagedes nanofils sont comparés en fonction de la polarité de la couche de germination utilisé,de la taille et de l’espacement des ouvertures pratiquées dans le masque. L’ensemble deces briques technologiques ouvre la voie à la réalisation de LEDs à base de nanofils ZnO.

This work deals with the MOVPE growth and the study of ZnO based structures,which is a direct and large gap semiconductor (3.37 eV) with a high potential for op-toelectronics applications. Systematic SEM and TEM observations of ZnO nanowires onsapphire grown under various conditions help us to understand growth mechanism, andmore particularly the role of the polarity in formation of nanowires. Structural TEM ob-servations reveal the lack of dislocations or stacking fault in nanowires. In a second hand,the growth of ZnO/ZnMgO core-shell structure with quantum wells is studied. Cathodolu-minescence mapping exhibit both radial and axial quantum wells emission with quantumconfinement and quantum confined stark effect, respectively. Mg composition is optimi-zed to avoid plastic relaxation in nanowires structure, which allow us to obtain internalquantum efficiency as high as 54%. Finally, the selective area growth is demonstrated onpatterned substrates. Morphology and efficiency of ZnO nanowires growth is compare asa function of seed layer polarity and size of holes in the mask. These technological stepsopen the way to ZnO nanowires based LEDs devices.