Mécanismes de croissance et défauts cristallins dans les structures à nanofils de ZnO pour les LED

par Guillaume Perillat-Merceroz

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Guy Feuillet.

Soutenue le 08-11-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information (équipe de recherche) .

Le président du jury était Henri Mariette.

Le jury était composé de Guy Feuillet, Pierre Galtier, Nicolas Grandjean, Pierre-henri Jouneau.

Les rapporteurs étaient Frank Glas, Philippe Vennéguès.

mots clés

• Microscopie électronique en transmission
• ZnO
• Nanofil
• Puits quantiques
• LED
• Implantation ionique

Résumé

Les nanofils de ZnO à puits quantiques et le dopage p par implantation ionique d'azote sont étudiés pour la fabrication de LED ultra-violettes. Des pyramides de polarité O et des nanofils de polarité Zn sur substrats de saphir et ZnO sont élaborés. La croissance organisée de nanofils sur ZnO de polarité Zn est démontrée. De même, des pyramides ou des nanofils de GaN sont obtenus sur GaN de polarité Ga ou N. Sur saphir, l'élimination des dislocations dans les pyramides sous-jacentes aux nanofils est analysée. Les nanofils sans défauts structuraux permettent l'élaboration de puits quantiques coeur-coquille ZnO/Zn(1-x)MgxO. La relaxation plastique dans les nanofils est étudiée, puis la composition en Mg est optimisée pour l'éviter et atteindre un rendement quantique interne de 54%. Concernant l'implantation, les défauts sont identifiés avant et après recuit. Ils disparaissent en surface, d'où une guérison facilitée des nanofils. Un matériau guéri avec des accepteurs activés n'est pas obtenu.

mots clés

• Transmission electron microscopy
• ZnO
• Nanowire
• Quantum wells
• LED
• Ion implantation

Titre traduit

Growth mechanism and crystalline defects in ZnO nanowire structures for LEDs

Résumé

Quantum well ZnO nanowires and p-type doping by nitrogen ion implantation are studied to make ultraviolet light-emitting diodes. O-polar pyramids and Zn-polar nanowires on sapphire and ZnO substrates are grown. Organized growth of nanowires on a masked Zn-polar ZnO is demonstrated. Similarly, GaN pyramids and nanowires are grown on Ga and N-polar GaN respectively. On sapphire, the dislocation elimination in the underlying pyramids is analyzed. Nanowires with no structural defects allow the growth of ZnO / Zn (1-x) Mg x O core-shell quantum wells. Plastic relaxation is studied, and the Mg composition is optimized to avoid it and attain an internal quantum efficiency as high as 54%. Concerning ion implantation, the defects are identified before and after annealing. They disappear in the near-surface, which lead to an easier recovery of nanowires compared to bulk ZnO. However, a recovered material with activated acceptors is not obtained.