Soutenance de thèse de Maya Wehbe

Modélisation et caractérisation des effets de nano-compliance pour la croissance épitaxiale localisée de GaN sur substrats Si

Maya Wehbe a réalisé sa thèse au CEMEF dans le cadre du projet ANR PEGADIS sous la direction de Patrice Gergaud, CEA Leti, co-encadrée par Matthew Charles (CEA Leti) et Daniel Pino Munoz, équipe MSR.

Maya Wehbe soutient sa thèse de doctorat en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement le 29 novembre 2024 devant le jury suivant :

– Stéphanie ESCOUBAS, Aix-Marseille Université

– Nicolas GRANDJEAN, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

– Vincent CONSONNI, Grenoble INP

– Stéphane MOREAU, CEA Grenoble

– Maud NEMOZ, CRHEA – CNRS

– Eirini SARIGIANNIDOU, Grenoble INP – UGA

Résumé :

Le nitrure de Gallium (GaN) est un semiconducteur prometteur pour les µLEDs, mais la croissance hétéroépitaxiale du GaN génère des dislocations qui réduisent leur efficacité d’émission. Afin d’améliorer la qualité du GaN épitaxiée, on propose une approche qui consiste à faire la croissance des pyramides de GaN au-dessus de nanopiliers de GaN/AlN/Si(111)/SiO₂. L’objectif attendu est que l’excès d’énergie à l’interface de chaque pyramide et les propriétés viscoélastiques du SiO₂ permettront aux piliers de subir une rotation durant la coalescence des pyramides de GaN qui sont au-dessus afin que ceux-ci se coalescent en s’alignant cristallographiquement. Les objectifs de cette thèse sont de comprendre les phénomènes qui ont lieu durant le processus de pendéo-épitaxie pour mieux le contrôler, déterminer la qualité des couches GaN obtenues, étudier la rotation des piliers et proposer un modèle de piliers optimales pour faciliter leur rotation. Ainsi, différents échantillons ont été caractérisés par la diffraction d’électrons rétrodiffusés, la cathodoluminescence et trois différentes techniques avancées de diffraction des rayons X faites à l’European Synchrotron Radiation Facility. Les résultats ont confirmé la rotation des piliers de 0.1° après coalescence ainsi que la réalisation des lignes de GaN très homogènes ayant une faible densité de dislocations (1.2 x 10⁷ cm^-2). Nous avons pu suivre le comportement du GaN au début de la coalescence ; les piliers de GaN initialement désorientés sont transformés en gros ilots de GaN bien définis et bien orientés en eux-mêmes. La présence des dislocations au niveau des joints de grains a été confirmé avec une limite supérieure pour leur densité locale de ~10¹¹ cm^-2.  De plus, nous avons constaté que tant que l’inclinaison entre les piliers voisins ne dépasse pas 0.1°, les piliers voisins contribuent à former des domaines cristallins très bien orientés similaire en taille à ceux formés au début de la coalescence. Des simulations éléments finis et des calculs analytiques ont aussi été menées pour évaluer le comportement mécanique des systèmes nano-structurés et optimiser les différents paramètres des piliers. Le rayon (r) du pilier a été identifié comme le paramètre ayant le plus grand impact sur l’énergie nécessaire à la rotation des piliers car cette dernière est proportionnelle à r⁴. Ces résultats ont permis la réalisation d’un nouveau modèle de piliers optimisé (en spirale) qui a montré des résultats prometteurs et permettra la fabrication d’îlots GaN de haute qualité adaptés aux µLED.

Mots-clés : Nitrure de gallium, diffraction des rayons X, synchrotron, cristallographie, microLEDs, modélisation mécanique