Correlative microscopy of III-nitride nanostructures : application to photonics - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Correlative microscopy of III-nitride nanostructures : application to photonics

Microscopie corrélative des nanostructures de nitrures d'éléments III : application à la photonique

Résumé

The aim of this thesis was to develop a methodology for the characterization of III-nitride nanostructures by correlative microscopy, correlating their structural and chemical features with their optical performance. As a first experiment, we describe the growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy of AlGaN/AlN quantum dot (QD) superlattices inserted in self-assembled GaN nanowires (NWs) for application in electron-pumped ultraviolet sources. The optical performance of superlattices on NWs is compared with the emission of multi-quantum wells. The NW ensembles attain internal quantum efficiency (IQE) in excess of 60% at room temperature. The IQE remains stable for high excitation power densities, up to 50 kW/cm^2. We demonstrate that the NW superlattice is long enough to collect the electron-hole pairs generated by an electron beam with an acceleration voltage VA = 5 kV. These results are interesting for the application of such nanostructures to fabricate ultraviolet lamps. However, in view of difficulties associated to the sample preparation, we have decided to focus our correlative microscopy efforts on InGaN/GaN Stransky-Krastanov QDs. In this case, microscopy specimens can be prepared by focused ion beam, and they present higher emission efficiency than AlGaN/AlN NWs when optically pumped in situ in an atom probe tomography (APT) system.Our correlative microscopy study of QDs combined high-resolution chemical and optical characterization by APT, in-situ microphotoluminescence, and ex-situ cathodoluminescence. We demonstrate that the information extracted by these techniques allows the precise modelling of the nanostructures, obtaining excellent agreement with the optical measurements. During the APT experiment, it was possible to resolve single-QD emission lines, which display a spectral shift assigned to the relaxation of elastic strain due to material evaporation. We have also studied the effect of extended and point defects on the luminescence of such QD structures. We observed that emission intensity is higher in the upper QD layers (closer to the surface) and it is not correlated with the dislocation density. This result highlights the relevance of inserting InGaN underlayers to bury non-radiative point defects.
L'objectif de cette thèse était de développer une méthodologie pour l’étude des nanostructures de semi-conducteurs nitrures par microscopie corrélative, en corrélant leurs caractéristiques structurales et chimiques avec leurs performances optiques. Comme première expérience, nous décrivons la croissance par épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma de super-réseaux de boîtes quantiques (QD) AlGaN/AlN insérés dans des nanofils (NW) de GaN auto-assemblés pour une application dans des sources ultraviolettes pompées par électrons. Les performances optiques des super-réseaux sur les NW sont comparées à l'émission de puits multi-quantiques. Les ensembles NW atteignent une efficacité quantique interne (IQE) supérieure à 60% à température ambiante. L'IQE reste stable pour des densités de puissance d'excitation élevées, jusqu'à 50 kW/cm^2. Nous démontrons que le super-réseau est suffisamment long pour collecter les paires électron-trou générées par un faisceau d'électrons avec une tension d'accélération VA = 5 kV. Ces résultats sont intéressants pour l'application de telles nanostructures à la fabrication de lampes ultraviolettes. Cependant, compte tenu des difficultés liées à la préparation des échantillons, nous avons décidé de concentrer nos efforts de microscopie corrélative sur les QDs InGaN/GaN Stransky-Krastanov. Dans ce cas, les échantillons de microscopie peuvent être préparés par faisceau d'ions focalisé, et ils présentent une efficacité d'émission plus élevée que les NWs AlGaN/AlN lorsqu'ils sont injectés optiquement in situ dans un système de tomographie par sonde atomique (APT). Notre étude en microscopie corrélative des boites quantiques (QDs) a combiné la caractérisation chimique et optique à haute résolution par APT, la micro-photoluminescence in-situ et la cathodoluminescence ex-situ. Nous démontrons que les informations extraites par ces techniques permettent la modélisation précise des nanostructures, obtenant un excellent accord avec les mesures optiques. Au cours de l'expérience APT, il a été possible de résoudre des raies d'émission des QDs uniques, qui présentent un décalage spectral attribué à la relaxation de la déformation élastique due à l'évaporation du matériau. Nous avons également étudié l'effet des défauts étendus et ponctuels sur la luminescence de telles structures QD. Nous avons observé que l'intensité d'émission est plus élevée dans les couches QD supérieures (plus proches de la surface) et qu'elle n'est pas corrélée à la densité de dislocation. Ce résultat met en évidence la pertinence d'insérer des sous-couches d'InGaN pour enterrer les défauts ponctuels non radiatifs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03508249 , version 1 (03-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03508249 , version 1

Citer

Ioanna Dimkou. Correlative microscopy of III-nitride nanostructures : application to photonics. Quantum Physics [quant-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALY018⟩. ⟨tel-03508249⟩
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