Croissance par épitaxie par jets moléculaires et caractérisation optique d'hétérostructures de nanofils GaN/AlGaN émettant dans l'ultraviolet

Molecular beam epitaxy growth and optical characterization of GaN/AlGaN nanowire heterostructures emitting in the ultraviolet

• Auteur / Autrice : Matthias Belloeil
• Direction : Bruno Daudin, Bruno Gayral
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 12/05/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Lefebvre, Joël Leymarie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Enrique Calleja, Raphaël Butté

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés optiques

Nanofils

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Nanofils AlGaN

Croissance EJM

Caractérisation optique

Émission UV

Fluctuations de composition

Dopage

AlGaN nanowires

MBE growth

Optical characterization

UV emission

Compositional fluctuations

Doping

Résumé

Dans des conditions de croissance spécifiques, des sections nanofilaires d’AlGaN peuvent croître en épitaxie sur des bases nanofilaires de GaN. De telles croissances, effectuées par épitaxie par jets moléculaires dans le cadre dans le cas présent, permettent la caractérisation ultérieure de petits volumes d’AlGaN exempt de défauts étendus communément observés dans les couches planaires. Cette absence de défauts rend ces fils prometteurs pour les dispositifs optoélectroniques émettant dans l’ultraviolet. Cependant, la réalisation de tels composants nécessite de mieux comprendre les propriétés fondamentales des fils.La question des inhomogénéités d’alliage à l’échelle nanométrique reste notamment à éclaircir. Afin d’y voir plus clair, ces dernières ont été dans un premier temps étudiées dans cette thèse. Pour nos expériences, des nanofils d’AlGaN non-intentionnellement dopés (NID) ont été crûs dans des conditions variées afin d’ajuster potentiellement les fluctuations de composition de l’alliage et ainsi sonder éventuellement des centres de localisation de porteurs de taille et composition différentes. Il a premièrement été observé au moyen de méthodes de caractérisation structurale que la longueur des sections plus riches Al qui nucléent préférentiellement au sommet des fils de GaN peut être ajustée en variant les paramètres cinétiques de croissance, mettant en lumière un mécanisme de croissance gouverné par la cinétique. Des études optiques ont ensuite démontré que les fluctuations de composition induisent de la localisation et présentent un comportement de type boîte quantique. Ce dernier a été observé quel que soit les conditions de croissance explorées dans ce travail. Il est ensuite démontré que les régions plus riches Ga spontanément formés durant la synthèse de l’AlGaN partagent des propriétés µ-optiques similaires sur une plage de longueur d’onde d’émission donnée, pour toutes les conditions de croissance utilisées dans cette étude. De telles régions, émettrices de photons uniques, sont présentes à très petite échelle, puisque elles ont été également mises en évidence dans des nanodisques quantiques d’AlGaN très fins.En outre, le dopage des nanofils d’AlGaN, surtout de type p, est loin d’être totalement compris. En particulier, En particulier, le problème de l’incorporation ainsi que de l’activation optique et électrique dans les fils demeure nébuleux. Cette question a été étudiée pour des jonctions pn nanofilaires d’AlGaN dopées avec des atomes Mg et Si. Premièrement, des signatures propres à l’incorporation des dopants dans les nanofils ont été mises en exergue au travers de techniques de caractérisation structurale, avant que des jonctions pn AlGaN soient mises en évidence électriquement. De plus, des analyses optiques ont mis en lumière des dopants de type n et p optiquement actifs. Néanmoins, les dopants Mg ne sont que partiellement actifs électriquement en raison de la passivation par l’hydrogène mise en évidence par l’observation de complexes Mg-H. Pour résoudre ce problème, des recuits post-croissance ont été effectués. En parallèle, des jonctions pn nanofilaires d’AlN ont été préliminairement examinées et présentent des caractéristiques morphologiques intéressantes. En effet, des creux profonds ont été observés dans les fils et associés au dopage Mg effectué à basse température de croissance. La morphologie des fils peut être ajustée en jouant sur les paramètres cinétiques de croissance et sur l’effet surfactant des atomes Mg. En augmentant la température, les creux disparaissent tandis que la forme du sommet des fils, usuellement hexagonale, change pour devenir « étoilée », mettant en exergue des conditions de croissance très éloignées de l’équilibre thermodynamique. L’activation électrique des dopants n’a pas été observée jusqu’à présent dans ces jonctions pn d’AlN.

Using specific growth conditions, AlGaN nanowire (NW) sections can be grown in epitaxy on top of GaN NW templates. Such NW growth, performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy in the present case, allows the subsequent characterization of very small volume of material free of extended defects commonly observed in planar structures. This absence of defects makes these NWs very promising for optoelectronic devices operating in the ultraviolet. However, achieving such devices requires a better understanding of the NW fundamental properties.The issue of alloy inhomogeneity at nanoscale has notably remained obscure so far. In order to make it clearer, the latter has been first investigated in the present work, especially through optical characterization. For our experiments, non-intentionally doped (NID) AlGaN NWs have been grown in various conditions in order to potentially tune the compositional fluctuations within the AlGaN alloy and therefore possibly probe for carrier localization centers of different size and Al composition. It has been firstly observed through structural characterization that the length of Al-rich sections preferentially nucleating on top of GaN NWs can be tuned by varying the growth kinetical parameters, emphasizing a growth mechanism governed by kinetics. Optical studies have then evidenced that compositional fluctuations induce carrier localization and exhibit a quantum dot-like behavior. The latter has been observed whatever the growth conditions explored in this work. Our results are consistent with the spontaneous formation during growth of tiny Ga-richer regions shown to share similar micro-optical features over a given emission wavelength range for all investigated growth conditions. Such regions exhibiting the single-photon emission character are present at very small scale, as signs of their existence have been also evidenced in thin NID AlGaN quantum disks.In addition, doping in Al(Ga)N NW, especially p-type, is far from being fully comprehended. In particular, the issue of dopant incorporation as well as optical and electrical activation in such NWs remains unclear. The latter has been examined in Al(Ga)N NW pn junctions doped with Mg and Si atoms. First, signatures specific to dopant incorporation in NWs have been highlighted through structural characterization, before evidencing AlGaN pn junctions electrically. Moreover, optical analysis have exhibited optically active both dopant types. Nonetheless, Mg dopants are but partially active electrically due to passivation by hydrogen emphasized by the observation of Mg-H complexes. To cope with the latter issue, post-growth annealing experiments have been attempted. Concomitantly, AlN NW pn junctions have been also preliminarily investigated and present interesting morphological features. Indeed, deep hollows have been observed in NWs and associated with Mg doping carried out at low growth temperature. The NW morphology can be tuned by varying growth kinetical parameters and by using the surfactant effect of Mg atoms. When increasing growth temperature, these hollows disappear, while the NW top shape has been observed to switch from hexagonal to star-like, emphasizing growth conditions very far from thermodynamical equilibrium. Electrical activation of dopants has not been evidenced so far in AlN NW pn junctions.