Growth and characterization of GaN/lnGaN nanowire heterostructures
Institution:
Université Grenoble Alpes (ComUE)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Group-III-nitride nanostructures are considered as promising candidates aiming at the realization of various innovative devices, including fields from electronics, photonics, to biochemistry and energy. Since recent years, a growing interest of InGaN-based nano-LEDs has been raised in the field of lighting and display. This PhD work focuses on the growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy and on the characterization of nanowire-based InGaN/GaN heterostructures.Firstly, a kinetic growth model of III-nitride nanowires has been established, aiming at an in-depth analysis and a better control of atomically kinetic processes involved in MBE growth. This modeling work constructs the theoretical basis and guides the experimental interpretation in this thesis.Then, the morphological, inner-structural, compositional and optical properties of axial GaN/InGaN/GaN nanowire heterostructures have been investigated at nano-scale by a combination of electron microscopy (SEM/STEM/TEM), photoluminescence (PL), nano-cathodoluminescence (nano-CL), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). On the basis of experimental results, we have achieved a statistical description of morphological landscape for all InGaN/GaN NWs under different thermodynamic and atomic fluxes conditions. Meanwhile, the correlation between the morphological & compositional features and the electronic & optical properties of InGaN/GaN NWs has been established.Furthermore, various types of NW-based InGaN superstructures have been grown and investigated. It is found that both axial growth rate and real In composition will decrease in the case of Indium excess, due to In surfactant effect and a reduced effective nitrogen flux. Meanwhile, a dramatic widening of InGaN sections has been observed under N-rich condition, suggesting the metal-rich condition is not necessary for the InGaN enlargement. Accordingly, we propose the driving mechanism of InGaN growth, for which the axial growth is a flux-determined kinetic process and the lateral widening is mainly strain-induced.Finally, we have investigated the influence of post-growth annealing process for the luminescence efficiency and proposed our growth recipes of LED plates, aiming at approaching the fabrication of MBE-grown LED plates.
Abstract FR:
Les nanostructures de nitrures d’éléments III sont considérées comme des candidats prometteurs visant à la réalisation de divers dispositifs innovants. Depuis quelques années, l'intérêt croissant des nano-LEDs basés sur l’InGaN a été relevé dans le domaine de l'éclairage et de l'affichage. Ce travail de thèse porte sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires assistée plasma (PA-MBE) et sur la caractérisation d'hétérostructures InGaN/GaN à base de nanofils.Tout d'abord, un modèle de croissance cinétique de nanofils de nitrures d’éléments III a été établi, en vue d'une analyse en profondeur et d'un meilleur contrôle des processus cinétiques atomiques impliqués dans la croissance MBE. Ce travail de modélisation construit la base théorique et guide l'interprétation expérimentale dans cette thèse.Ensuite, les propriétés morphologiques, structurelles, compositionnelles et optiques des hétérostructures de nanofils GaN/InGaN/GaN axiaux ont été étudiées à nano-échelle par une combinaison de microscopie électronique (SEM / STEM / TEM), photoluminescence (PL), nano-cathodoluminescence (nano-CL), spectroscopie de rayons-X à énergie dispersive (EDX). Sur la base des résultats expérimentaux, nous avons obtenu une description statistique du paysage morphologique pour tous les NWs InGaN/GaN sous différentes conditions thermodynamiques et de flux atomiques. De plus, la corrélation entre les caractéristiques morphologiques & compositionnelles et les propriétés électroniques & optiques des NWs InGaN/GaN a été établie.En outre, divers types de superstructures InGaN à base de nanofils ont été étudiés. On constate que tant le taux de croissance axiale que la composition réelle d’Indium vont diminuer dans le cas de l'excès d'Indium, en raison de l'effet surfactant de l’Indium et d'un flux effectif d’azote réduit. En même temps, un élargissement spectaculaire des sections de l'InGaN a été observé sous des conditions riches en azote, suggérant que la condition riche en métal n'est pas nécessaire pour l'élargissement de l'InGaN. En conséquence, nous proposons le mécanisme de la croissance d’InGaN, pour lequel la croissance axiale est un processus cinétique déterminé par le flux et l'élargissement latéral est principalement induit par la contrainte.Enfin, nous avons étudié l'influence du processus de recuit pour l'efficacité de la luminescence et proposé nos recettes de croissance de plaques LEDs, visant à aborder la fabrication de plaques LED développées par MBE.