Croissance sélective de nanofils (In,Ga)N par HVPE pour les cellules solaires et les micro-LEDs

Selective area growth of (In,Ga)N nanowires by HVPE for LEDs and solar cells

• Auteur / Autrice : Jihen Jridi
• Direction : Agnès Trassoudaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Chaillout-Bougerol, Yamina André
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Morales, Christophe Durand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Composés semiconducteurs

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils III-N

GaN. InN. InGaN

Croissance sélective

Épitaxie

HVPE

III-V nanowires

GaN. InN. InGaN

Selective growth

Epitaxy

HVPE

Résumé

Étant donné leurs propriétés physiques structurales et optoélectroniques très prometteuses, une attention particulière a été accordée aux semiconducteurs d’éléments III-V. L’utilisation des nitrures de géométrie 1D, les micro et nanofils, permet de répondre aux défis relatifs aux difficultés rencontrés lors de la croissance des couches 2D InGaN engendrées par le désaccord de maille entre substrat et matériau à élaborer, la ségrégation d’indium et le manque de substrat adéquats et à bas coût pour la croissance épitaxiale. Dans ce contexte, ce travail de thèse présente pour la première fois une étude de la croissance de micro et nanofils (In,Ga)N par épitaxie en phase vapeur par la méthode aux hydrures (HVPE). L’objectif de ce travail de thèse est de contrôler la composition, la morphologie et l’homogénéité des micro et nanofils InGaN élaborés par voie sélective SAG (pour selective area growth en anglais). Afin d’atteindre cet objectif, il est important d’étudier la croissance sélective des deux binaires d’InGaN qui sont le GaN et l’InN. Dans un premier temps, nous avons alors effectué une étude de la phase vapeur afin de fixer les conditions optimisées dans le cadre de ma thèse pour la croissance sélective des micro et nanofils GaN et InN. La croissance sélective des nanofils GaN est aussi montré pour la première fois par HVPE. L’effet des paramètres expérimentaux sur la croissance sélective des structures GaN et InN ont été ainsi discutés. La deuxième partie de ce travail de thèse est consacrée à la croissance sélective des micro et nanofils InGaN sur substrat de GaN/saphir par HVPE. Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler la compositions en indium dans les nanofils InGaN en modifiant les conditions de croissance expérimentales et spécialement les pressions partielles des gaz utilisés. Des analyses EDS réalisées sur des nanofils élaborés par HVPE sous différentes conditions de phase vapeur ont montré des compositions allant de 0 à 100% en indium. Dans le but d’étudier les propriétés optiques des nanofils InGaN, des mesures en PL ont été effectuées.

Given their very promising structural and optoelectronic physical properties, special attention has been given to III-V element semiconductors. The use of nitrides with 1D geometry, micro and nanowires, allows to address the challenges related to the difficulties encountered during the growth of 2D InGaN layers caused by the lattice mismatch between substrate and material to be grown, indium segregation and the lack of suitable and low cost substrates for epitaxial growth. In this context, this thesis presents for the first time a study of the growth of (In,Ga)N micro and nanowires by the hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. The objective of this thesis is to control the composition, morphology and homogeneity of InGaN micro and nanowires grown by selective area growth (SAG). In order to achieve this objective, it is important to study the selective growth of the two InGaN binaries which are GaN and InN. As a first step, we then performed a vapor phase study in order to set the conditions optimized in my thesis for the selective growth of GaN and InN micro and nanowires. The selective growth of GaN nanowires is also shown for the first time by HVPE. The effect of experimental parameters on the selective growth of GaN and InN structures have been discussed. The second part of this thesis is devoted to the selective growth of InGaN micro and nanowires on GaN/sapphire substrate by HVPE. We have demonstrated that it is possible to control the indium composition in InGaN nanowires by modifying the experimental growth conditions and especially the partial pressures of the gases used. EDS analyses performed on HVPE grown nanowires under different vapor phase conditions showed compositions ranging from 0 to 100% indium. In order to study the optical properties of InGaN nanowires, PL measurements were performed.