Growth of InGaN nanowires for photovoltaic and piezoelectric energy harvesting
Croissance de nanofils InGaN pour les dispositifs de récupération d’énergie photovoltaïques et piézoélectriques
Résumé
III-nitride materials are excellent semiconductors presenting several interesting properties for photovoltaic and piezoelectric applications. At the same time, the epitaxial growth of these materials in the form of nanowires (NW) is even more interesting, because binary and heterostructured III-N NWs have a higher crystalline quality compared to the 2D and bulk counterparts. In these contexts, this work focuses on the plasma-assisted MBE (PA-MBE) growth of InGaN / GaN NWs and their characterization. Three main topics are addressed: the growth of axial InGaN heterostructures by PA-MBE, their optical characterization, and the study of the selective area growth (SAG) of GaN NWs on transferred graphene. These studies allowed me to obtain a rational control on the growth mode of InGaN heterostructures in a wide range of In contents (up to ~ 40%) and morphologies, to study their axial band edge profile, useful for the optimal design of the photovoltaic structure, and to demonstrate for the first time in the literature, that the SAG of GaN NWs on patterned mono-layer graphene is a possible and very promising strategy to improve their homogeneity. Also, preliminary tests have shown that the piezoelectric conversion capacity of GaN NWs can be improved by about 35% when integrating an In-rich InGaN insertion into their volume.All these results constitute a decisive step in the control and the comprehension of the properties of these nanostructures, and establish very encouraging perspectives for their integration in novel and efficient photovoltaic and piezoelectric nano-generators.
Les matériaux III-nitrures sont des excellents semi-conducteurs qui présentent plusieurs propriétés intéressantes pour les applications photovoltaïques et piézoélectriques. Au même temps, la croissance epitaxiale de ces matériaux sous forme de nanofil (NF) est de tant en plus intéressant, car les NFs nitrures binaires et heterostructurés, ont une qualité cristalline supérieure comparés aux homologues 2D et massifs. Dans ces contextes, ce travail est axé sur la croissance par MBE assistée par plasma (PA-MBE) de NFs InGaN/GaN et leur caractérisation. Trois sujets principaux ont été abordés: l'étude de la croissance d’heterostructures InGaN axiales par PA-MBE, leur caractérisation optique, et l'étude de la croissance sélective de NFs GaN sur graphène transféré. Ces études m’ont permis d’obtenir un control rational sur le mode de croissance d’heterostructures InGaN dans une large gamme de teneurs d’In (jusqu'à ~ 40%) et morphologies, de étudier leur structure de bande axiale, utile pour la conception optimale de la structure p-i-n photovoltaïque, et de démontrer pour le première fois dans la littérature, que l’épitaxie sélective de NFs de GaN sur MCG lithographié est une route possible et très promettent pour améliorer leur homogénéité. Ainsi, des tests préliminaires ont montré que la capacité de piézo-conversion des NFs GaN peut être améliorée d'environ 35% lors de l'intégration d’une insertion InGaN riche en In dans leur volume.Tous ces résultats constituent un ’étape décisive dans le contrôle et la comprension des propriétés de ces nanostructures, et donnent des perspectives très encourageantes pour leur intégrations dans des nano-générateurs à haute efficacité.
Origine : Version validée par le jury (STAR)