Correlated electro-optical and TEM studies on single III-N nanowire heterostructures
Etudes électro-optiques et TEM corrélées sur nanofils hétérostructurés III-N uniques
Résumé
Nanowires (NWs) are promising building blocks for future optoelectronic architectures requiring advanced miniaturization. The strain relaxation, high surface sensitivity and optical properties of these structures bring additional advantages over traditional two-dimensional designs. NWs are also a potential platform to study quantum phenomena. Considering quantum dots (QDs) embedded in NWs, the QD location, size and density can be easily controlled, and QDs with high crystalline quality can be synthesized due to elastic strain relaxation at the surfaces of the NW. All NWs studied in this project were III-nitride NWs grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy.For the study of quantum and nano-scale phenomena it is crucial to analyze the same object with a multi-technique approach. In this project, this is achieved through the fabrication of Si3N4 membrane chips compatible with transmission electron microscopy (TEM). The NWs are placed and contacted on these membranes prior to characterization. Results of electrical, photocurrent, micro-photoluminescence (µPL) and scanning TEM measurements are correlated and compared with theoretical calculations.In view of the application of NWs as photodetectors, we studied a NW design incorporating an axial GaN/AlN superlattice. The presence of the heterostructure results in reduced dark current and enhancement of the photocurrent under ultraviolet excitation. The heterostructure dimensions and doping profile were likewise designed in such a way that the application of positive or negative bias leads to an enhancement of the collection of photogenerated carriers from the GaN/AlN superlattice or from the GaN base, respectively. Thus, the devices display enhanced response in the ultraviolet B (~ 280-330 nm) / A (~ 330-360 nm) spectral windows under positive/ negative bias.On the other hand, the linearity of the photodetector response as a function of the incident optical power is crucial for the quantification of the incoming light. NWs of many material systems, however, were shown to have a sublinear dependence on impinging light. In this work, we showed that a linear dependence can be achieved in NWs with an AlN/GaN/AlN insertion if they are below a critical diameter, which corresponds to the total depletion of the NW due to the Fermi level pinning at the sidewalls. In the case of NWs that are only partially depleted, their nonlinearity is explained by a nonlinear variation of the diameter of their central conducting channel under illumination.Finally, the manipulation of the electric field in a QD is important for potential application and in-depth understanding of their electronic properties. In this project, we studied the spectral tunability of the emission of an AlN/GaN/AlN QD in a GaN NW by application of external bias. Measurements of µPL on contacted single NWs showed a single emission line in the spectral region from 283 nm to 321 nm (depending on the dot size), which shifts with bias at a rate of 1.0 nm/V. It blue shifts when the external electric field compensates the internal electric field generated by the spontaneous and piezoelectric polarization. In small QDs, we observed a spectral switch of the emission with bias, which is attributed to the transition of the exciton to other charged states. Correlation of TEM, µPL and theoretical calculations show that the NW stem and cap are highly conductive, and the applied voltage drops at the edges of the AlN/GaN/AlN heterostructure.
Les nanofils (NW) sont des blocs de construction prometteurs pour les futures architectures optoélectroniques nécessitant une miniaturisation avancée. La relaxation des contraintes, la sensibilité de surface élevée et les propriétés optiques de ces structures apportent des propriétés intéressantes par rapport à des couches bidimensionnelles classiques. Les NW sont également une plateforme potentielle pour étudier les phénomènes quantiques. En pensant aux boîtes quantiques (QD) intégrés dans les NW, il est facile de contrôler leur emplacement, leur taille et leur densité et de synthétiser des QD de haute qualité cristalline en raison de la relaxation de déformation élastique à la surface du NW. Tous les NW étudiés dans ce projet étaient des NW de nitrures d'éléments III crus par épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma.Pour étudier les phénomènes quantiques et à l'échelle nanométrique, il est crucial d'analyser le même objet avec une approche multi-technique. Dans le cadre de ce projet, cet objectif est atteint grâce à la fabrication de puces à membrane Si3N4 compatibles avec la microscopie électronique à transmission (TEM). Les NW sont placés et contacté sur ces membranes avant la caractérisation. Les résultats des mesures électriques, de photocourant, de micro-photoluminescence (µPL) et de TEM à balayage sont corrélés et comparés aux calculs théoriques.En vue de l’utilisation des NW comme photodétecteurs, nous avons étudié une conception de NW incorporant un super-réseau axial GaN / AlN. La présence de l'hétérosturucture entraîne une réduction du courant d'obscurité et une augmentation du photocourant sous excitation ultraviolette. Les dimensions et le profil de dopage de l’hétérostructure ont également été conçus de manière à ce que l’application d’une polarisation entraîne une amélioration de la collection de porteurs photogénérés provenant soit du super-réseau GaN / AlN soit de la base de GaN. Ainsi, les dispositifs affichent une réponse améliorée dans les fenêtres spectrales ultraviolettes B (~ 280-330 nm) / A (~ 330-360 nm) sous polarisation positive / négative.D'autre part, la linéarité de la réponse du photodétecteur en fonction de la puissance optique incidente est cruciale pour la quantification de la lumière entrante. Cependant, il a été démontré que dans de nombreux systèmes matériels les détecteurs à NW ont une réponse sous-linéaire. Dans ce travail, nous avons montré qu’une dépendance linéaire peut être obtenue dans les NW avec une insertion AlN / GaN / AlN si leur diamètre est inférieur à une valeur critique, ce qui correspond à la déplétion totale du NW en raison de l'ancrage du niveau de Fermi sur les parois latérales. Dans le cas des NW qui ne sont que partiellement déplétés, leur non-linéarité s'explique par une variation non linéaire du diamètre de leur canal conducteur central sous illumination.Enfin, la manipulation du champ électrique dans un QD est importante pour des applications potentielles et pour comprendre en détail leurs propriétés électroniques. Dans ce projet, nous avons étudié l’accordabilité spectrale de l’émission d’un QD AlN / GaN / AlN dans un NW de GaN par application de tensions externes. Les mesures de µPL sur des NW uniques contactés électriquement ont montré une seule ligne d'émission dans la région spectrale allant de 283 nm à 321 nm (en fonction de la taille de la boîte), qui se décale à une vitesse de 1,0 nm / V sous application d’une tension externe. L'émission se décale vers le bleu lorsque le champ électrique externe compense le champ électrique interne généré par la polarisation spontanée et piézoélectrique. Dans les petits QD, nous avons observé une commutation spectrale de l'émission sous tension, qui est attribuée au passage de l'exciton à d'autres états chargés. La corrélation entre TEM, µPL et les calculs théoriques montrent que la base et le sommet des NW sont très conducteurs et que la tension appliquée chute aux bords de l'hétérostructure AlN / GaN / AlN.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...