Growth of m-plane non-polar GaN/AlN heterostructures on m-plane 6H-SiC
Croissance d'hétérostructures non-polaires de GaN/AlN plan m sur 6h-SiC plan m
Résumé
This work reports on the growth and the structural and optical properties of non-polar m-plane GaN/AlN heterostructures deposited on m-plane 6H-SiC by Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy.
We first studied AlN and GaN thick layers. The optimal growth conditions were achieved in metal-rich conditions. They both exhibit anisotropic surface morphology: stripped for AlN and slatted for GaN.
Next, we studied the growth of GaN/AlN heterostructures. GaN quantum wells are obtained in N-rich conditions whereas GaN quantum wires or quantum dots are formed in Ga rich conditions by Stranski-Krastanow growth mode. The shape of these GaN nanostructures is depending on the strain state of the AlN buffer layer. Optical studies revealed a strong reduction of the internal electric field in m-plane GaN/AlN heterostructures.
Finally, we focused on the shape evolution of wires and dots with the amount of GaN deposited. We demonstrated the existence of a dots to wires transition. It takes place above a critical size that can be controlled by the amount of GaN deposited or by the growth of superlattices.
We first studied AlN and GaN thick layers. The optimal growth conditions were achieved in metal-rich conditions. They both exhibit anisotropic surface morphology: stripped for AlN and slatted for GaN.
Next, we studied the growth of GaN/AlN heterostructures. GaN quantum wells are obtained in N-rich conditions whereas GaN quantum wires or quantum dots are formed in Ga rich conditions by Stranski-Krastanow growth mode. The shape of these GaN nanostructures is depending on the strain state of the AlN buffer layer. Optical studies revealed a strong reduction of the internal electric field in m-plane GaN/AlN heterostructures.
Finally, we focused on the shape evolution of wires and dots with the amount of GaN deposited. We demonstrated the existence of a dots to wires transition. It takes place above a critical size that can be controlled by the amount of GaN deposited or by the growth of superlattices.
Ce travail de thèse a porté sur l'étude de la croissance et des propriétés structurales et optiques des hétérostructures non-polaires de GaN/AlN plan m, déposées sur 6H-SiC plan m par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d'azote.
Nous avons tout d'abord étudié les couches épaisses d'AlN et de GaN. Les conditions de croissance de ces couches sont optimales en conditions riche métal. Toutes deux présentent des morphologies de surface anisotropes mais différentes l'une de l'autre avec une morphologie de type « tôle ondulée » pour l'AlN et « toît de tuiles » pour le GaN.
Nous nous sommes ensuite intéressés à la croissance d'hétérostructures de GaN/AlN. Nous avons démontré que la croissance de GaN en conditions riche N aboutit à la formation de puits quantiques de GaN tandis que la croissance en conditions riche Ga permet de former des fils ou des boîtes quantiques par le mode de croissance Stranski-Krastanow. Nous avons démontré que cette différence de morphologie pour les nanoobjets de GaN était liée à l'état de relaxation de la couche tampon d'AlN. Des études optiques ont mis en évidence une forte réduction du champ électrique interne dans les hétérostructures de GaN/AlN plan m.
Pour finir, nous avons étudié l'évolution de la morphologie des fils et des boîtes en fonction de la quantité de GaN déposée. Nous avons démontré l'existence d'une transition de forme ''boîtes-fils'' lorsque l'aire des boîtes excède une taille critique. Cette aire peut être contrôlée par la quantité de matière déposée mais également par la réalisation de superréseaux.
Nous avons tout d'abord étudié les couches épaisses d'AlN et de GaN. Les conditions de croissance de ces couches sont optimales en conditions riche métal. Toutes deux présentent des morphologies de surface anisotropes mais différentes l'une de l'autre avec une morphologie de type « tôle ondulée » pour l'AlN et « toît de tuiles » pour le GaN.
Nous nous sommes ensuite intéressés à la croissance d'hétérostructures de GaN/AlN. Nous avons démontré que la croissance de GaN en conditions riche N aboutit à la formation de puits quantiques de GaN tandis que la croissance en conditions riche Ga permet de former des fils ou des boîtes quantiques par le mode de croissance Stranski-Krastanow. Nous avons démontré que cette différence de morphologie pour les nanoobjets de GaN était liée à l'état de relaxation de la couche tampon d'AlN. Des études optiques ont mis en évidence une forte réduction du champ électrique interne dans les hétérostructures de GaN/AlN plan m.
Pour finir, nous avons étudié l'évolution de la morphologie des fils et des boîtes en fonction de la quantité de GaN déposée. Nous avons démontré l'existence d'une transition de forme ''boîtes-fils'' lorsque l'aire des boîtes excède une taille critique. Cette aire peut être contrôlée par la quantité de matière déposée mais également par la réalisation de superréseaux.