Ingénierie du diamètre dans les hétérostructures de nanofils III-V - Expériences et modélisation

Diameter engineering in III-V nanowire heterostructures - Experiments and modelling

• Auteur / Autrice : Anton Pishchagin
• Direction : Frank Glas, Jean-Christophe Harmand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/07/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Anna Fontcuberta i Morral
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Aqua, Vladimir Dubrovskii, Fabrice Oehler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Fontcuberta i Morral, Teemu Hakkarainen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Hétérostructures

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils

Épitaxie par jet moléculaire

Vapeur-liquide-solide

Structures cœur-coquille

GaAs

GaP

Nanowires

Molecular beam epitaxy

Vapor-Liquid-Solid

Coreshell structures

GaAs

GaP

Résumé

Les nanofils (NWs) semi-conducteurs III-V présentent des propriétés physiques intéressantes pour diverses applications. Le potentiel de tels dispositifs ne se concrétisera pleinement que si on parvient à contrôler précisément ces propriétés. Cette étude porte sur les NWs auto-catalysés de GaAs et GaP fabriqués par épitaxie par jet moléculaire sur un substrat de Si, en mode vapeur-liquide-solide. Nous étudions expérimentalement et théoriquement des questions relatives au contrôle précis du diamètre d'un NW, notamment sa modification déterministe durant la croissance. Nous étudions la dynamique de la consommation d'une goutte apicale de Ga exposée à un flux de phosphore. Nous établissons les mécanismes qui contribuent à la diminution du volume de la goutte et calculons les courants de matière correspondants. Implémentation de ce modèle nous permet de moduler localement le diamètre des NWs de manière contrôlée. Nous parvenons ainsi à former un segment de NW plus fin ou plus épais, d'un diamètre stable, au sommet d'un pied du même matériau. La seconde partie du travail est dédiée aux NWs cœur-coquille à base de matériaux de paramètres de maille différents. Nous calculons les limites géométriques du rayon de cœur et d'épaisseur de coquille, au-delà desquelles la formation d'une première dislocation interfaciale est énergétiquement favorable. Nous fabriquons de tels NWs dans une large gamme de dimensions de cœur et de coquille et déterminons si des dislocations se forment ou pas. La comparaison de nos déterminations des dimensions critiques pour la relaxation plastique montre qu'il est possible de faire croître des coquilles sans défaut plus épaisses que prédit par la théorie.

III-V semiconductor nanowires are highly promising building blocks for various applications. However, the full potential of nanowire-based devices will only be realized if the nanowire physical properties can be precisely tailored. This study concentrates on self-catalyzed GaAs and GaP nanowires grown on a Si substrate by molecular beam epitaxy, in the Vapor-Liquid-Solid mode. We address experimental and theoretical issues related to the precise control of the diameter of a nanowire, in particular its deterministic modification during growth. We first study the dynamics of the consumption of a Ga apical catalyst droplet under exposure to a phosphorous flux. Combining experiments and modelling, we establish the mechanisms that contribute to the decrease of the droplet volume and calculate analytically the corresponding material currents. Implementing this model allows us to modulate locally the nanowire diameter in a controllable fashion. We thus manage to form a thinner or a thicker nanowire segment with a stable diameter on top of a stem of the same material. The second part of our work is devoted to core-shell nanowires involving lattice-mismatched materials. We compute the geometrical limits for core radius and shell thickness, above which the formation of a first interfacial dislocation is energetically favorable We then grow GaAs/GaP core/shell nanowires in a wide range of core radii and shell thicknesses and determine for each geometry if dislocations form or not. The comparison of our theoretical and experimental determinations of the critical dimensions for plastic relaxation shows the possibility to grow much thicker defect-free shells than predicted by theory.