Optical vibrations in polar GaN nanowires : a study of size, aspect ratio and density effects

• Auteur / Autrice : Jiangfeng Wang
• Direction : Francois Demangeot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Nanofils

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Nitrure de Gallium

Nanofils

Diffusion Raman

Modes de surface

Déformation

Résumé

La thèse présente une analyse détaillée des propriétés optiques d'assemblées de nanofils de GaN mais aussi de nanofils individuels, menée essentiellement par diffusion inélastique de la lumière par les excitations du réseau cristallin. Des études ont été également menées dans des nanofils contenant des super-réseaux GaN/AlN. Ces nano-objets pourraient jouer un rôle clef dans les dispositifs à l'échelle nanométrique de demain, en raison notamment de leur très grande qualité structurale et de leur faible niveau de déformation interne, confirmés par l'analyse de la raie Raman correspondant au mode de vibration optique non polaire de symétrie E2 de haute fréquence. Dans la première partie de la thèse, une étude des différents paramètres est proposée dans des nanofils GaN fabriqués par épitaxie par jets moléculaires assistée Plasma sur substrat Silicium : morphologie, structure cristalline, dimension et orientation. Les résultats démontrent une certaine inhomogénéité des nanofils sur leur substrat. La partie centrale de la thèse se focalise sur les propriétés vibrationnelles des nanofils de GaN. D'une part, les spectres Raman révèlent un comportement caractéristique du grand rapport surface/volume associé à ces nano-objets, qui les différencient nettement du comportement du matériau massif. En particulier, la thèse fournit une analyse détaillée de nouvelles signatures spectrales dans la partie haute fréquence des spectres, en fonction de différents paramètres expérimentaux liés au matériau et aux mesures Raman: dopage, orientation, densité, environnement diélectrique extérieur, paramètres d'illumination de la surface. Nous avons pu ainsi démontrer qu'il s'agit de vibrations localisées à la surface des nanofils, et dont nous proposons une description simple en un milieu moyen décrit par une fonction diélectrique effective. D'autre part, une étude Raman systématique est aussi proposée en fonction de la polarisation du laser excitateur, de la dimension et du rapport d'aspect de nanofils GaN analysés individuellement. L'exaltation de l'intensité de la diffusion Raman par le mode transverse optique de symétrie A1(TO) et d'un épaulement associé, est corrélée à la longueur d'onde d'excitation et au rapport d'aspect des nanofils. Le bon accord observé avec les résultats de calculs réalisés dans le cadre de l'approximation par dipôles discrets (DDA) indique que ces deux signatures sont associées à des vibrations confinées dans le nanofil. Ces calculs indiquent en outre, que les vibrations localisées aux surfaces sont insensibles au rapport d'aspect du nanofil, en bon accord avec les résultats expérimentaux. L'étude de nanofils individuels GaN fonctionnalisés par insertion de disques quantiques AlN est aussi présentée. L'utilisation de la diffusion Raman résonnante permet d'augmenter la sensibilité de la sonde vibrationnelle et de mettre en évidence des fluctuations structurales à l'intérieur d'un nanofil unique. Enfin, nous proposons l'analyse de la distribution des déformations dans des couches épaisses de GaN épitaxiées sur des mesas sur substrat Silicium. Une analyse systématique de l'influence de la dimension et de la hauteur de tranchées associées aux mesas GaN sur la distribution des déformations est conduite en couplant étroitement cartographie Raman et calculs dans le cadre de la théorie de l'élasticité linéaire utilisant la méthode des éléments finis.

This thesis presents mainly a detailed investigation of the optical properties of GaN nanowires (NWs) ensemble and single GaN NW in particular by Raman spectroscopy. The Raman scattering in GaN/AlN superlattice has also investigated. NWs are often considered as potential building blocks for future nanometer scaled devices. This is based on several attractive features that are generally ascribed to NWs. For instance, they are expected to grow strain free and defects even on substrates with a large structural mismatch. This can be examined in different NWs samples by the Raman frequency and line width of non-polar E2h phonon. In the first part of the thesis, the characterization of morphologies, structure, dimensions and orientation have been investigated in the GaN NWs grown on Si substrates by plasma assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) without any catalyst. These results indicate good crystallization quality of MBE and several inhomogeneity of NWs. The major part of this thesis discusses the vibrational properties of GaN NWs. The investigation of Raman scattering of NWs ensemble and single NW reveal the significant phonon behavior as a function of their large surface-to-volume ratio. First, certain optical features are only found in the Raman spectra of GaN NWs but not in that of bulk GaN. An unexpected emergence of a two peaks band located near 700 cm-1 has been found in the undoped NWs but not in Si-doped NWs. This is attributed to the Raman scattering by surface related modes and has been confirmed by their high sensitivity to the dielectric constant of the NWs surrounding medium. We used an effective dielectric continuum model to interpret and detailed analyze these observations. Second, the optical characteristics of individual NW are also investigated in this context. The dependence of Raman intensity on the size of NWs and polarization of light excitation has been studied. The observed enhancement of A1(TO) mode and a shoulder in high frequency side are strongly related to excitation wavelength and the aspect ratio of single NW. The frequencies and distribution of light electric field inside NW of these modes have been analyzed by a DDA-based calculation model. The Raman scattering of core-shell structural NWs and GaN/AlN superlattice are also discussed. By using UV resonant excitation, double strain states induced by AlN shell have been found in GaN/AlN core-shell structural NWs and the interface mode has been observed in addition to the Quasi-Longitudinal Optical mode in the GaN/AlN superlattice. Finally,the analysis of stress distribution on crack free thick GaN layers has been performed by Raman measurement. We have investigated the influence of different sizes and trench height of GaN mesa on the strain distribution. This strain/stress field was modeled within the framework of linear elasticity theory using finite element method (FEM).