Composants photoniques à base de fils de nitrures d'élément III : du fil unique aux assemblées

par Agnès Messanvi

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Joël Eymery et de François Julien.

Soutenue le 16-12-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec SP2M - Service de Physique des Matériaux Microstructures (laboratoire) et de Service de physique des matériaux et microstructures (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Anna Fontcuberta i Morral.

Le jury était composé de François Julien, Julien Pernot, Christophe Durand, Maria Tchernycheva.

Les rapporteurs étaient Jean- Christophe Harmand, Pere Roca I Cabarrocas.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la réalisation de composants photoniques à base de fils de nitrures III-V. Les fils de GaN non-catalysés ont été élaborés de manière auto-assemblée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE) sur saphir. Un des axes de ce travail a porté sur la croissance organisée de ces fils à travers un réseau d’ouvertures défini par lithographie et gravure d’une couche de SiNx. Nous avons étudié en particulier l’influence des paramètres de croissance (température, pression, ratio V/III) et du motif sur l’homogénéité de la croissance sélective. Ces fils ont servi de substrat pour la croissance d’hétérostructures radiales cœur-coquille InGaN/GaN.D’autre part, la croissance, la fabrication et les propriétés physiques de trois types de composant ont pu être étudiées :-Des cellules solaires à fils uniques. Nous avons comparé l’efficacité de conversion de deux types d’hétérostructures : des coquilles épaisses d’In0.1Ga0.9N et des coquilles à 15 et 30 puits quantiques In0.18Ga0.82N/GaN. Après optimisation du contact électrique sur la coquille p-GaN, un rendement maximal de 0,33 % a été obtenu avec des fils à 30 puits quantiques sous éclairement équivalent à 1 soleil (AM1.5G). Le seuil d’absorption mesuré par spectroscopie de photocourant varie entre 400 et 440 nm.- Une plateforme émetteur-détecteur. Le système, qui fonctionne à 400 nm, comprend deux fils de GaN à hétérostructure radiale InGaN/GaN positionnés sur le même substrat et couplés par un guide d’onde en SiNx. La caractérisation électrique du dispositif a mis en évidence une durée de commutation inférieure à 0,25 s sans photocourant persistant.- Des diodes électroluminescentes (LED) flexibles. Ces diodes qui émettant dans le visible (400-470 nm) ont été réalisées en se basant sur une approche hybride organique/inorganique. Les fils émetteurs à puits quantiques InGaN/GaN sont encapsulés dans une matrice organique de PDMS puis détachés de leur substrat de croissance. Les contacts sont réalisés à partir de nanofils d’argent qui présentent l’avantage d’être à la fois flexibles, transparents et conducteurs. A partir de ce procédé, une LED bicolore flexible a été réalisée en combinant des émetteurs bleus et « verts ».

  • Titre traduit

    Nitride nanowire photonic devices : from single wires to ordered arrays


  • Résumé

    This thesis reports on the realization of photonic devices based on nitride wires. Self-assembled GaN wires were grown without catalyst by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) on sapphire substrates. Part of this work focused on the selective area growth of GaN wires through a dielectric SiNx mask with regular arrays of holes defined by lithography and dry etching. We studied the influence of the growth conditions (temperature, pressure, V/III ratio) and pattern geometry on the homogeneity of the selective area growth. These wires were used as templates for the growth of core-shell InGaN/GaN heterostructures. In addition, the growth, microfabrication process and properties of three types of devices were studied:- Single wire solar cells. We compared the efficiency of two type of heterostructures: shells composed of thick In0.1Ga0.9N layers and In0.18Ga0.82N/GaN quantum wells. After optimization of the electrical contact on the p-GaN shell, a maximal conversion efficiency of 0,33 % was obtained on single GaN wires with a shell of 30 quantum wells under 1 sun illumination (AM1.5G). Photocurrent spectroscopy revealed that the wire absorption edge varied between 400 and 440 nm.- An integrated photonic platform. The system, that operates around 400 nm, is composed of two GaN wires with radial InGaN/GaN heterostructures positioned on the same substrate and coupled with a SiNx waveguide. The electrical characterization of the platform revealed a switching speed inferior to 0.25 s without persistent photocurrent.- Flexible light emitting diodes (LED). The LED fabrication is based on a dual approach which associates inorganic InGaN/GaN emitters (400-470 nm) and a polymer. The wires are encapsulated in a PDMS matrix before being detached from their native substrate. Electrical contacts are made with silver nanowires which are flexible, highly conductive and transparent in the visible range. Based on this procedure a two-color LED was realized by stacking a blue and a “green” LED.


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