Master presentation

1. 1
Elaboration des nanostructures semi-conductrices à base des
éléments III-N (nanofils GaN et InGaN) par EPVOM pour
l’éclairage LED et la photovoltaïque
Hamza THAALBI
Université de Monastir
Faculté des Sciences de Monastir
Soutenance de Mastère de recherche
Spécialité: physique des matériaux et nanostructures
Encadré par : Abdelkarim KAHOULI
le 27/11/2020

2. Introduction
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
Propriétés morphologiques
2
Propriétés optiques
3
Conclusions et perspectives

3. Introduction

4. 4
Diodes électroluminescentes
Diodes laser
Cellules photovoltaïques
Energie de bande interdite (à 300 K) en fonction du
paramètre de maille pour les semi-conducteurs III-N.
Energie
de
bande
interdite
(ev)
Paramètre de maille (A°)
Introduction

5. 5
• La phase blende de zinc est
métastable.
• La phase wurtzite est
thermodynamiquement la plus
stable.
Introduction
• Axe c est un axe polaire unique de la
structure wurtzite.
• Liaison iono-covalente: Ga-N dipôle =>
Polarisation spontanée

6. 6
Introduction
Absence d’un substrat natif du GaN
Recours à l’hétéroépitaxie
Qualité structurale inférieure:
densité des dislocations de
l’ordre de 108 et 1010 cm-2
17
16.1
3.5
116
25.5
19
SILICIUM SAPHIR CARBURE DE
SILICIUM
Désaccord de maille (%)
Désaccord de coefficient de dilatation
thermique (%)
Efficacité radiative réduite
Polarisation piézoélectrique
Champs électrique interne

7. 7
Les excitons confinés dans les nanofils sont peu
sensible à la présence des dislocations traversantes
existant dans le plan de croissance.
Introduction
Dislocations
traversantes
Localisation quantique des porteurs de charge

8. 8
Diamètre D
Longueur L
Avantages des
nanofils par rapport
aux matériaux 2D
Permet le contrôle de
confinement longitudinale
et latérale des porteurs.
Permet d’optimiser le rendement
quantique externe des LEDs et
des cellules PVs.
Permet de relaxer les contraintes
induites lors de la croissance et
éviter la création des
dislocations.
Possibilité de contrôler le
diamètre, la densité et la
position précise des fils.
Introduction
Courbure des
dislocations

9. Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1

10. 10
Méthodes de croissance
3-Croissance sélective (SAG)
1-Croissance VLS
• Basée sur l’utilisation d’un
catalyseur jouant le rôle
d’un site préférentiel pour
la croissance du fil.
• Difficulté d’obtenir des
fils régulièrement orientés
• Les particules
catalytiques contaminent
le matériau.
2-Croissance auto-organisée
• Fondée sur le dépôt
in-situ d’une couche fine
SiN.
• non homogénéité
de la distribution des fils
sur la surface de substrat.
• consiste à déposer un
masque SiN ou SiO2
structuré par des
techniques de
lithographie.
• permet le contrôle de
la position et de la taille
des fils.

11. 11
Approches Possibles

12. 12
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
silicium
SiO2
600 nm

13. 13
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
silicium
SiO2
Nucléation

14. 14
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
silicium
SiO2
Nucléation
silicium
SiNx
Température 1012 °C
Rapport V/III 28
SiH4 0,3 µmol/min
Fils n-GaN

15. 15
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
silicium
SiO2
Nucléation
silicium
SiNx
Température 1012 °C
Rapport V/III 28
SiH4 0,3 µmol/min
Fils n-GaN
n
++
GaN
silicium
SiO2
n
++
GaN
silicium
SiO2

16. 16
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
silicium
SiO2
Nucléation
silicium
SiNx
Température 1012 °C
Rapport V/III 28
SiH4 0,3 µmol/min
Fils n-GaN
n
++
GaN
silicium
SiO2
Température 850 °C
Rapport V/III 500
TMIn 1000 sccm
Fils InGaN
n
++
GaN
silicium
SiO2
n
++
GaN
silicium
SiO2

17. 17
Croissance des nanofils n-GaN/InGaN
1
silicium
SiO2
Nucléation
silicium
SiNx
Température 1012 °C
Rapport V/III 28
SiH4 0,3 µmol/min
Fils n-GaN
n
++
GaN
silicium
SiO2
n
++
GaN
silicium
SiNx
Température 850 °C
Rapport V/III 500
TMIn 1000 sccm
Fils InGaN

18. Propriétés morphologiques
2

19. 19
Effet de silane (cœur-1) :
(b) (c)
0,3 µmol/min 0,6 µmol/min 0,9 µmol/min
Silane
 la longueur des segments n-GaN est augmenté de 5,79µm à 14,91µm.
 le diamètre est diminué de 1,21µm à 0,83µm
Effet de passivation de la surface latérale de n-GaN par la formation
d’une couche SiN jouant le rôle d’un masque.
n
++
GaN
silicium
SiNx
Propriétés morphologique
2

20. 20
Effet de silane (cœur-1) :
0,3 µmol/min 0,6 µmol/min 0,9 µmol/min
Silane
Si Si Si
 Présence d’une zone de transition recouvert par des grains InGaN et GaN.
Effet de diffusion des adatomes tout le long de cœur 1 : Plus le fil est long plus il y a un dépôt parasite.
Propriétés morphologique
2

21. 21
Effet de H2/N2 (cœur-2) :
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
4
0,5
0,25
Cocentration
d'indium
(%)
Rapport H2/N2 (%)
3/97 20/80 50/50
0/100
 100% N2: La qualité morphologique des nanofils se dégrade.
 H2 + N2: Amélioration de la qualité cristalline et la quantité de
Matière du cœur-2 augmente.
Le gaz vecteur N2 réduit la longueur de diffusion des espèces et
inhibe leurs migrations vers les sites de nucléation.
Propriétés morphologique
2

22. 22
Effet de la vitesse de croissance (cœur-2) :
TMG
(µmol/
min)
Temps
(s)
Vitesse de croissance Diamètre des têtes de fils
(µm)
Echantillon A 404 2000 V 2,45 ±0,3
Echantillon B 202 4000 V/2 4,17 ±0,99
Echantillon C 101 8000 V/4 6,58 ±1,18
(b) (c)
 augmentation de la quantité de matière dans
la partie du cœur-2 (InGaN).
Ce comportement est peut-être attribuée au
coefficient de collage des précurseurs.
Propriétés morphologique
2

23. 23
Effet de la vitesse de croissance (cœur-2) :
(b) (c)
 augmentation de la quantité de matière dans
la partie du cœur-2 (InGaN).
Ce comportement est peut-être attribuée au
coefficient de collage des précurseurs.
Si
SiO2
SiNx
Propriétés morphologique
2

24. 24
Effet du rapport V/III (cœur-2) :
(b) (c)
Température
(°C)
𝐇𝟐/𝐍𝟐 TMI
(sccm)
Vitesse de
croissance
NH3
(sccm)
V/III
Echantillon a 850 3/97 1000 V/4 568 500
Echantillon b 850 3/97 1000 V/4 1136 1000
Echantillon c 850 3/97 1000 V/4 2272 2000
 Aucun changement de morphologie a été
observé lors de l’augmentation du rapport V/III.
La gamme du rapport V/III choisi lors de cette
étude n’a pas d’influence remarquable sur les
fils obtenus.
Propriétés morphologique
2

25. 25
Effet de la température (cœur-2) :
(a) (b) (c) (d)
850°C 800°C 750°C 700°C
Température
700 750 800 850
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
18
14
6,3
1,7
Concentration
en
Indium
(%)
Température (°C)
 La qualité cristalline se dégrade drastiquement avec la
diminution de la température.
 amélioration importante de la quantité d’indium incorporé.
Un compromis entre la qualité du matériau et la concentration
minimale d'indium requise pour la structure souhaitée.
Propriétés morphologique
2

26. 26
Bila
n
Température
Si Si
Si
Si
In = 18%
14%
6,3%
1,7%
850°C 800°C 750°C 700°C
Vitesse de croissance
V V/2
Si Si Si
V/4
Si Si
Si
Silane
0,3 µmol/min 0,6 µmol/min 0,9 µmol/min
H2/N2
0/100 3/97
Si
Si Si Si
20/80 50/50
In = 4% 0,5% 0,25% ~0,15%

27. 27
27
Temps(s) T(°C) V/III TMG
(µ𝒎𝒐𝒍/𝒎𝒊𝒏)
TMI
(𝒔𝒄𝒄𝒎)
SiH4
(µ𝒎𝒐𝒍/𝒎𝒊𝒏)
H2/N2 Pression
(mbar)
n-GaN 700 1012 28 500 0 0,3 10/90 800
InGaN 16000 750 4000 13 1000 0 3/97 800
 Amélioration de la qualité
morphologique.
 Incorporation d’indium environ 18%.
La vitesse de croissance est
réduit à V/8

28. Propriétés optiques
3

29. 29
300 400 500 600
0
1
2
3
4
5
6
7
300K
220K
140K
80K
50K
40K
20K
@ 325 nm//10mW//
Intensité
PL
(u.a)
Longueur d'onde (nm)
12K
 Emission dans le bleu autour de 442 nm à 300K.
 L’intensité du pic diminue lorsque la température augmente.
Existence de centres de luminescence localisant : l’échappement
thermique des porteurs hors de centres localisant engendre une chute
d’intensité d’émission.
Propriétés optiques
3

30. 30
0 20 40 60 80
105
106
107 @ 325 nm//10mW//
Intensité
intégrée
(u.a)
1000/T (K-1)
(a)
I T =
I0
1+𝐴.exp
−𝐸𝑎
𝐾𝑏𝑇
+𝐵.exp
−𝐸𝑏
𝐾𝑏𝑇
• I0 = I12 K
• 𝐸𝑎 et 𝐸𝑏 sont des énergies
d’activation d’un processus non
radiatif.
 Ea=7 meV et Eb= 72 meV.
la dépendance thermique de PL implique principalement
deux processus responsable à la chute d’intensité.
le rendement quantique interne mesuré à 300K est estimé
à environ 8%.
Propriétés optiques
3

31. 31
0 50 100 150 200 250 300
2,80
2,84
2,88
2,92 @ 325 nm//10mW//
Energie
PL
(eV)
Température (K)
 de 12K à 40K : l’énergie de PL décale vers le rouge.
 de 40K à 50K : décalage vers le bleu.
 de 50K à 300K : décalage vers le rouge.
Etude optique
3 Propriétés optiques
3
K
E

32. 32
0 50 100 150 200 250 300
2,80
2,84
2,88
2,92 @ 325 nm//10mW//
Energie
PL
(eV)
Température (K)
 de 12K à 40K : l’énergie de PL décale vers le rouge.
 de 40K à 50K : décalage vers le bleu.
 de 50K à 300K : décalage vers le rouge.
Etude optique
3 Propriétés optiques
3
K
E

33. 33
0 50 100 150 200 250 300
2,80
2,84
2,88
2,92 @ 325 nm//10mW//
Energie
PL
(eV)
Température (K)
 de 12K à 40K : l’énergie de PL décale vers le rouge.
 de 40K à 50K : décalage vers le bleu.
 de 50K à 300K : décalage vers le rouge.
Etude optique
3 Propriétés optiques
3
K
E

34. Conclusions et perspectives

35. 35
Conclusion et perspective
 Intensité PL des puits 2D et des tiges InGaN à 300 K.
300 400 500 600 700
@ 325 nm//10mW//300 K//0.3 mm//0.01s
Ref:PQs InGaN
Tiges InGaN
PL
intensity
(a.u)
Wavelength (nm)
300 K
 Nanofils GaN/InGaN :
 faible densité de dislocations.
 Effet du champs E interne réduit.
 Meilleur émission et absorption de
la lumière.
 Etude morphologique:
 Optimisation des paramètres de
croissance.
 Taux d’incorporation d’indium
(18%).
 Etude Optique:
 Emission dans le bleu (442 nm).
 Rendement quantique interne
estimé à 8%.

36. 36
Conclusion et perspective
 Puits quantique InxGa1-xN au sein des tiges
 Meilleur efficacité radiative.
 Taux d’incorporation d’indium élevé.
Proposition
 émission dans le vert et le rouge.
 Fabrication des LEDs Blanches monolithiques.
Objectifs

37. 37
MERCI