Relaxation des contraintes dans les hétérostuctures InGaN/GaN

Strain relaxation in InGaN/GaN herostructures

• Auteur / Autrice : Quantong Li
• Direction : Pierre Ruterana, Jun Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/03/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Perez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ruterana, Jun Chen, Ludovic Desplanque, Sabine Lay-Dietrich, Piero Gamarra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Desplanque, Sabine Lay-Dietrich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces cristallines

Dislocations dans les semiconducteurs

Microscopie à force atomique

Microscopie électronique en transmission

Nitrure de gallium

Nitrures

Mots clés libres

EPVOM

EJM

MET

Dislocations vis

Dislocations de décalage paramétrique

Relaxation des contraintes

Mécanisme de formation

Mécanisme de formation

MOVPE

MBE

TEM

InGaN

GaN

Screw dislocations

Misfit dislocations

Strain relaxation

Formation mechanism

Heterointerface

Résumé

Dans ce travail, nous avons étudié la relaxation de couches d’hétérostructures InGaN/GaN obtenue par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) et épitaxie aux jets moléculaires (EJM) principalement par microscopie électronique en transmission (MET). Pour ce faire, nous avons fait varier la composition de l'indium de 4.1% au nitrure d'indium pur, ce qui correspond lors de la croissance sur GaN à un décalage paramétrique allant de 1% à 11.3%. Le travail a porté sur des couches dont l’épaisseur allait de 7 nm à 500 nm. A partir d’une composition en indium voisine de 10%, nous mettons en évidence la formation d’un réseau de dislocations vis dont la ligne se promène dans l’interface, avec de très longues sections droites le long des directions <11-20>. Ces dislocations coexistent avec un réseau de dislocations coins qui commence à se former vers 13%, il disparait complétement autour d’une composition en indium de 18%. Le réseau de dislocation vis se densifie de plus en plus au-delà. Outre ces dislocations de décalage paramétrique, d'autres mécanismes qui contribuent à la relaxation de la contrainte dans ces hétérostructures InGaN/GaN ont été mis en évidence. Ainsi, au-dessus d'une composition d'indium supérieure à 25%, de nombreux phénomènes se produisent simultanément. (1) Formation des dislocations de décalage paramétrique à l'hétérointerface; (2) une composition de la couche qui s’enrichit en indium vers la surface; (3) des fortes perturbations de la séquence hexagonale conduisant à un empilement aléatoire; (4) croissance à trois dimensions (3D) pouvant même conduire à des couches poreuses lorsque la composition en indium est comprise entre 40% et 85%. Cependant, on met en évidence qu’il est possible de faire croître de l’InN pur de bonne qualité cristalline s'améliore grâce à la formation systématique d'une couche 3D.

In this work, we have investigated the strain relaxation of InGaN layers grown on GaN templates by MOVPE and PAMBE using TEM. To this end we varied the indium composition from 4.1% to pure indium nitride and the corresponding mismatch was changing from less than 1% to 11.3%, the thickness of the InGaN layers was from 7 nm to 500 nm. When the indium composition is around 10%, one would expect mostly elastically strained layers with no misfit dislocations. However, we found that screw dislocations form systematically at the InGaN/GaN interface. Moreover, below 18% indium composition, screw and edge dislocations coexist, whereas starting at 18%, only edge dislocations were observed in these interfaces. Apart from the edge dislocations (misfit dislocations), other mechanisms have been pointed out for the strain relaxation. It is found that above an indium composition beyond 25%, many phenomena take place simultaneously. (1) Formation of the misfit dislocations at the heterointerface; (2) composition pulling with the surface layer being richer in indium in comparison to the interfacial layer; (3) disruption of the growth sequence through the formation of a random stacking sequence; (4) three dimentional (3D) growth which can even lead to porous layers when the indium composition is between 40% and 85%. However, pure InN is grown, the crystalline quality improves through a systematic formation of a 3D layer.