Modeling and characterization of the effects of nanocompliance for localized epitaxial growth of GaN on Si substrates.
Modélisation et caractérisation des effets de nano-compliance pour la croissance épitaxiale localisée de GaN sur substrats Si
Résumé
Gallium nitride (GaN) is a promising semiconductor for microLEDs, but heteroepitaxial growthof GaN generates dislocations that reduce their emission efficiency. To improve the quality ofthe GaN, we propose novel approach based on growing GaN pyramids on top ofGaN/AlN/Si(111)/SiO2 nano-pillars. The approach relies on the excess surface energy at eachpyramid's interface to allow the pillars to tilt/twist, coalescing and aligning the GaN on top. Themain objective of this work is to gain a physical understanding of the processes operating duringcoalescence, determine the GaN quality, investigate the tilt/twist of the pillars and propose anoptimal pillars pattern. Therefore, different samples were studied by electron backscatterdiffraction, cathodoluminescence and advanced X-ray diffraction techniques at the EuropeanSynchrotron Radiation Facility. The results demonstrated the rotation of pillars by 0.1°. Weshowed that achievement of homogenous GaN layers in lines of pillars (dislocation density ≈1.2 x 107 cm-2). We were able to follow the behavior of the GaN at the early stage ofcoalescence, in fact, the initially misoriented GaN pillars, were found to coalesce into largerwell-defined GaN domains with a unique orientation distribution within each domain and a tiltlimit of 0.1° between neighboring pillars was found. Geometrically necessary dislocations werefound at the grain boundaries of the GaN domains. To complete the work, finite elementsimulations and analytical calculations are performed to identify the optimal parameters thatmake the pillars rotation energetically feasible; the radius (r) of the pillar was identified as theparameter with the greatest impact as the energy required to rotate is proportional to r4. Theseresults allowed the realization of new optimized pillars pattern that showed promising resultsand will allow the fabrication of high quality GaN islands suitable for microLEDs.
Le nitrure de gallium (GaN) est un semiconducteur prometteur pour les microLEDs, mais lacroissance hétéroépitaxiale du GaN génère des dislocations qui réduisent leur efficacitéd’émission. Afin d’améliorer la qualité du GaN épitaxiée, on propose une approche qui consisteà faire la croissance des pyramides de GaN au-dessus de nanopiliers de GaN/AlN/Si(111)/SiO2.L’excès d’énergie à l'interface de chaque pyramide permettra aux piliers de subir une rotationdurant la coalescence des pyramides de GaN qui sont au-dessus afin que ceux-ci se coalescenten s’alignant cristallographiquement. Les objectifs de cette thèse sont de comprendre lesphénomènes qui ont lieu durant la coalescence, déterminer la qualité des couches GaNobtenues, étudier la rotation des piliers et proposer un modèle de piliers optimales. Ainsi,différents échantillons ont été caractérisés par la diffraction d'électrons rétrodiffusés, lacathodoluminescence et différentes techniques avancées de diffraction des rayons X réalisées àl’European Synchrotron Radiation Facility. Les résultats ont confirmé la rotation des piliers de0.1° après coalescence ainsi que la réalisation des lignes de GaN très homogènes (densité dedislocations ≈1.2 x 107 cm-2). Nous avons pu suivre le comportement du GaN au début de lacoalescence ; les piliers de GaN initialement désorientés sont transformés en gros îlots de GaNbien définis et bien orientés en eux-mêmes. La présence des dislocations au niveau des jointsde grains a été confirmé. De plus, nous avons constaté que tant que l'inclinaison entre les piliersvoisins ne dépasse pas 0.1°, les piliers voisins contribuent à former des domaines cristallinssimilaire en taille à ceux formés au début de la coalescence. Des simulations éléments finis etdes calculs analytiques ont permis d’optimiser les différents paramètres des piliers. Le rayon(r) du pilier a été identifié comme le paramètre ayant le plus grand impact sur l'énergienécessaire à la rotation car cette dernière a été trouvé proportionnelle à r4. Ces résultats ontpermis la réalisation d'un nouveau modèle de piliers optimisé qui a montré des résultatsprometteurs et permettra la fabrication d'îlots GaN de haute qualité adaptés aux microLEDs.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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