Etude par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques de la croissance sélective de nano-hétéro-structures de matériaux à base de GaN

GaN based materials nano-hetero-structures selective area growth study by metalorganic vapor phase epitaxy

• Auteur / Autrice : Jérôme Martin
• Direction : Abdallah Ougazzaden
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/09/2009
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Abderrahim Ramdane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Daudin, Jean Decobert, Jean-Paul Salvestrini, Christian Brylinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique

Matériaux nanostructurés

Semiconducteurs à large bande interdite

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Mots clés libres

Epitaxie sélective

Semiconducteurs à grand gap

Semiconducteurs nitrures

MOVPE

GaN

Nanostructures

Résumé

La nano-structuration de matériaux semiconducteurs à grand gap à base de GaN fait l'objet d'un très grand intérêt de par son potentiel pour l'élaboration de composants optoélectroniques innovants émettant dans la gamme spectrale de l’ultraviolet. Le contrôle de la croissance à l'échelle nanométrique doit être ainsi démontré. L'épitaxie sélective ou SAG (Selective Area Growth) étendue au domaine nanométrique (NSAG pour NanoSAG) est un excellent choix pour l'élaboration de nanostructures de semiconducteur. Cette technique consiste en la croissance localisée du matériau sur un substrat partiellement recouvert d'un masque en diélectrique. La NSAG permet l'élaboration d'hétéro-structures en fort désaccord de maille grâce aux mécanismes singuliers de relaxation des contraintes à l'intérieur des nanostructures qui réduisent considérablement la densité de dislocations créées. La première partie de la thèse porte sur la mise en œuvre de l'épitaxie sélective du GaN sur pseudo-substrat de GaN à l'échelle micrométrique puis nanométrique par la technique d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Dans un deuxième temps, la NSAG est utilisée pour l'épitaxie de nanostructures de GaN sur substrats de SiC-6H et pseudo-substrat d'AlN. L'influence des conditions de croissance et des motifs définis dans le masque sur la forme des nanostructures est étudiée par la microscopie électronique à balayage et la microscopie à force atomique. Finallement la microscopie électronique en transmission et la nano-diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron sont utilisées pour l'analyse structurale approfondie des nanostructures

GaN based wide bandgap semiconductor materials nanostructures have a tremendous potential of applications for innovative optoelectronic devices emitting in the UV region (190-340nm). Thus, the feasibility of the nanoscale growth must be demonstrated. Selective Area Growth (SAG) extended to the nanoscale (NSAG for NanoSAG) is an excellent approach for growing semiconductor nanostructures. This technique is based on localized growth of the material on substrates partially covered by dielectric masks. NSAG technique allows the growth of highly mismatched materials because the density of dislocation is reduced thanks to singular stress relief mechanisms that occur at nanoscale. The first part of the work consists in the implementation of the GaN selective epitaxy on GaN template substrate at the micrometer and nanometer scales by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy. In a second time, the NSAG technique is used for the growth of GaN nanostructures on SiC-6H substrate and AlN template substrate. The influence of the growth conditions and the mask pattern on the nanostructures shape is demonstrated using Scattering Electronic Microscopy and Atomic Force Microscopy. Fine structural analysis of the nanostructures is finally investigated using advanced characterization tools such as Transmission Electron Microscopy and X-rays nano-diffraction by synchrotron radiation