Study of the growth and capping of GaN/AlN quantum dots by x-ray spectroscopy in diffraction condition
Etude par spectroscopie X en condition de diffraction de la croissance et de l'encapsulation de boites quantiques GaN/AlN
Résumé
The works presented in this manuscipt focus on the structural (size, strain, composition) investigation of GaN/AlN quantum dots, by means of x-ray spectroscopy in diffraction condition and x-ray anomalous diffraction and scattering. Those works are associated to Reflection High-Energy Electron Diffraction (RHEED), Transmission Electron Microscopy (TEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and Medium-Energy Ion Scattering (MEIS) measurements.
The measurement of fine structure oscillation in diffraction condition (x-ray spectroscopy in diffraction condition) and anomalous diffraction, using a grazing incidence setup, which is necessary for the study of nanoobjects, promoted specific experimental developments. Together with those developments, efforts were undertaken to properly take into account dynamical effects occuring in grazing incidence, for the quantitative analysis of the experimental results. Moreover, experimental results were compared with simulations of x-ray diffraction diagrams, fine structure signal in diffraction condition and anomalous diffraction spectrum, performed on the basis of simulations of the strain fields in the quantum dots.
The capping of (0001) GaN quantum dots by AlN, which is supposed to modifiy noticeably the structural and therefore optoelectronic properties of the dots, was studied in situ during growth and ex situ, by anomalous diffraction, x-ray spectrocopy in diffraction and absorption conditions, by TEM and AFM. Those studies put in evidence a pecular capping mecanism, and the evolution of the quantum dots structural properties. The stacking of GaN quantum dots planes, and the associated vertical correlation effects of the dots, were also analyzed in situ by anomalous diffraction and grazing incidence small angle scattering. Using RHEED as a tool to monitor the overall strain in the dots, a prelimianry analysis of the (0001) GaN quantum dots ripening under vacuum was carried out. At last, AFM, TEM and MEIS allowed to investigate the structural and optoelectronic properties of self-organized (11-20) GaN quantum dots.
The measurement of fine structure oscillation in diffraction condition (x-ray spectroscopy in diffraction condition) and anomalous diffraction, using a grazing incidence setup, which is necessary for the study of nanoobjects, promoted specific experimental developments. Together with those developments, efforts were undertaken to properly take into account dynamical effects occuring in grazing incidence, for the quantitative analysis of the experimental results. Moreover, experimental results were compared with simulations of x-ray diffraction diagrams, fine structure signal in diffraction condition and anomalous diffraction spectrum, performed on the basis of simulations of the strain fields in the quantum dots.
The capping of (0001) GaN quantum dots by AlN, which is supposed to modifiy noticeably the structural and therefore optoelectronic properties of the dots, was studied in situ during growth and ex situ, by anomalous diffraction, x-ray spectrocopy in diffraction and absorption conditions, by TEM and AFM. Those studies put in evidence a pecular capping mecanism, and the evolution of the quantum dots structural properties. The stacking of GaN quantum dots planes, and the associated vertical correlation effects of the dots, were also analyzed in situ by anomalous diffraction and grazing incidence small angle scattering. Using RHEED as a tool to monitor the overall strain in the dots, a prelimianry analysis of the (0001) GaN quantum dots ripening under vacuum was carried out. At last, AFM, TEM and MEIS allowed to investigate the structural and optoelectronic properties of self-organized (11-20) GaN quantum dots.
Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude structurale (taille, déformation, composition) de boîtes quantiques GaN/AlN, par spectroscopie X en condition de diffraction et par diffraction et diffusion anomale des rayons X. Ces travaux sont appuyés par des analyses par diffraction des électrons rapides en réflexion (RHEED), par microscopies électronique en transmission (TEM) et à force atomique (AFM), et par diffusion des ions de moyenne énergie (MEIS).
La mesure des structures fines en conditions de diffraction (spectroscopie X en condition de diffraction) et de la diffraction anomale, dans une géométrie en incidence rasante indispensable pour l'étude de nanoobjets, à nécessité des développements expérimentaux spécifiques. Conjointement, un effort particulier a été porté sur la prise en compte des effets dynamiques associés à l'utilisation d'une incidence rasante, dans l'analyse quantitative des résultats. En outre, les résultats ont été confrontés à des simulations des diagrammes de diffraction, des structures fines en condition de diffraction et de la diffraction anomale, sur la base de simulations des champs de déformations dans les boîtes quantiques.
L'encapsulation de boîtes quantiques GaN (0001) par AlN, susceptible de modifier les propriétés structurales et donc optoélectroniques des boîtes, a été étudié, in situ pendant la croissance et ex situ, par diffraction anomale et spectroscopie X en condition de diffraction ou d'absorption, par TEM et AFM. Ces mesures ont permis de proposer un mécanisme d'encapsulation original, et de mettre en évidence l'évolution des propriétés structurales des boîtes pendant l'encapsulation. L'empilement de plans de boîtes quantiques, et les effets de corrélations verticale de la position des boîtes associés, ont par ailleurs été étudié in situ, par diffraction anomale et diffusion aux petits angles en incidence rasante. Par RHEED, une étude préliminaire structurale du mûrissement des boîtes quantiques GaN (0001) a été entreprise. Enfin, AFM, TEM et MEIS ont permis d'analyser les propriétés structurales et optoélectroniques de boîtes quantiques GaN (11-20) auto-organisées.
La mesure des structures fines en conditions de diffraction (spectroscopie X en condition de diffraction) et de la diffraction anomale, dans une géométrie en incidence rasante indispensable pour l'étude de nanoobjets, à nécessité des développements expérimentaux spécifiques. Conjointement, un effort particulier a été porté sur la prise en compte des effets dynamiques associés à l'utilisation d'une incidence rasante, dans l'analyse quantitative des résultats. En outre, les résultats ont été confrontés à des simulations des diagrammes de diffraction, des structures fines en condition de diffraction et de la diffraction anomale, sur la base de simulations des champs de déformations dans les boîtes quantiques.
L'encapsulation de boîtes quantiques GaN (0001) par AlN, susceptible de modifier les propriétés structurales et donc optoélectroniques des boîtes, a été étudié, in situ pendant la croissance et ex situ, par diffraction anomale et spectroscopie X en condition de diffraction ou d'absorption, par TEM et AFM. Ces mesures ont permis de proposer un mécanisme d'encapsulation original, et de mettre en évidence l'évolution des propriétés structurales des boîtes pendant l'encapsulation. L'empilement de plans de boîtes quantiques, et les effets de corrélations verticale de la position des boîtes associés, ont par ailleurs été étudié in situ, par diffraction anomale et diffusion aux petits angles en incidence rasante. Par RHEED, une étude préliminaire structurale du mûrissement des boîtes quantiques GaN (0001) a été entreprise. Enfin, AFM, TEM et MEIS ont permis d'analyser les propriétés structurales et optoélectroniques de boîtes quantiques GaN (11-20) auto-organisées.