Résumé :
Les propriétés optiques, électriques et thermiques des semi-conducteurs du groupe III-N en font d’excellents matériaux pour de nombreuses applications électroniques et optoélectroniques. Le travail de la thèse porte sur leur croissance par dynamique moléculaire (DM) ainsi que le développement des outils numériques pour analyser les résultats et caractériser leurs propriétés en couche mince. Les propriétés thermiques, telles que le coefficient de dilatation thermique et le coefficient de diffusion à la surface de GaN, ont été calculés avec un potentiel empirique Stillinger-Weber. Des simulations par DM ont été réalisées pour la croissance de GaN sur substrat GaN, en optimisant les conditions de dépôt (température, taux de dépôt,…). Les résultats montrent que la cristallinité et la morphologie s’améliorent à haute température, à un faible taux de dépôt et à un rapport N/Ga relativement faible. La croissance d’InN sur GaN permet à avoir un aperçu sur le problème de désaccord de mailles entre le substrat GaN et la couche InN déposée. Les conditions de croissance optimisées ont ensuite été appliquées à la croissance des puits quantiques GaN/InGaN/GaN. Les simulations révèlent que les hautes températures et les couches épaisses favorisent la ségrégation d’indium. Enfin, l’analyse structurale de différentes compositions chimiques des couches InGaN a permis de supposer que la ségrégation de phase InN avec celle de GaN se produit par relaxation de contraintes,les zones riches s’orientent dans le sens de croissance [0001] sous forme de colonne. Ces travaux offrent une approche numérique permettant un accès aux informations sur la croissance et les propriétés des matériaux III-N à l’échelle atomique.
Mots-clés : Semi-Conducteur III-N, Séparation de phase InN, Puits quantiques InGaN, Conditions de croissance.
Growth of III-N compounds and their alloys : development of digital tools for optimizing their properties
Abstract:
The optical, electrical and thermal properties of group III-N semiconductors make them excellent materials for numerous electronic and optoelectronic applications. The thesis focuses on their growth by molecular dynamics (MD) simulations, as well as the development of numerical tools to analyze the results and characterize their thin-filmproperties. Thermal properties, such as the thermal expansion coefficient and the diffusion coefficient on the GaN surface were calculated using a Stillinger-Weber empirical potential. MD simulations were carried out for the growth of GaN on a GaN substrate, optimizing deposition conditions (temperature, deposition rate,..). The results show that crystallinity and morphology improve at high temperatures, low deposition rates, and relatively low N/Ga ratios. The growth of InN on GaN provides insights into the lattice mismatch problem between the GaN substrate and the deposited InN layer. The optimized growth conditions were then applied to the growth of GaN/InGaN/GaN quantum wells. Simulations reveal that high temperatures and thick layers promote indium segregation. Finally, the structural analysis of different chemical compositions of InGaN layers suggests that phase segregation of InN with GaN occurs due to strain relaxation, with indium-rich zones aligning along the growth direction [0001] in the form of columns. This work offers a numerical approach that provides insights into the growth and properties of III-N materials at the atomic scale.
Keywords: III-N semiconductor, Molecular dynamics, InN phase segregation, InGaN quantum wells, Growth conditions.
Contact CIMAP : Jun Chen (CIMAP/PM2E).