The present work focuses on the growth and characterizations of GaN and InN layers and nanostructures on p-Si(100) and p-Si(111) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy and the studies of GaN/p-Si and InN/p-Si heterojunctions properties. The thesis is divided in to seven different chapters. Chapter 1 gives a brief introduction on III-nitride materials, growth systems, substrates, possible device applications and technical background. Chapter 2 deals with experimental techniques including the details of PAMBE system used in the present work and characterization tools for III-nitride epitaxial layers as well as nanostructures. Chapter 3 involves the growth of GaN films on p-Si(100) and p-Si(111) substrates. Phase pure wurtzite GaN films are grown on Si (100) substrates by introducing a silicon nitride layer followed by low temperature GaN growth as buffer layers. GaN films grown directly on Si (100) are found to be phase mixtured, containing both cubic and hexagonal modifications. The x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), photoluminescence (PL) spectroscopy studies reveal that the significant enhancement in the structural and optical properties of GaN films grown with silicon nitride buffer layer grown at 800 oC, when compared to the samples grown in the absence of silicon nitride buffer layer and with silicon nitride buffer layer grown at 600 oC. Core-level photoelectron spectroscopy of SixNy layers reveals the sources for superior qualities of GaN epilayers grown with the high temperature substrate nitridation process. The discussion has been carried out on the typical inverted rectification behavior exhibited by n-GaN/p-Si heterojunctions. Considerable modulation in the transport mechanism is observed with the nitridation conditions. The heterojunction fabricated with the sample of substrate nitridation at high temperature exhibites superior rectifying nature with reduced trap concentrations. Lowest ideality factors (~1.5) are observed in the heterojunctions grown with high temperature substrate nitridation which is attributed to the recombination tunneling at the space charge region transport mechanism at lower voltages and at higher voltages space charge limited current conduction is the dominating transport mechanism. Whereas, thermally generated carrier tunneling and recombination tunneling are the dominating transport mechanisms in the heterojunctions grown without substrate nitridation and low temperature substrate nitridation, respectively. A brief comparison of the structural, optical and heterojunction properties of GaN grown on Si(100) and Si(111) has been carried out. Chapter 4 involves the growth and characterizations of InN nanostructures and thinfilms on p-Si(100) and p-Si(111) substrates. InN QDs are grown on Si(100) at different densities. The PL characteristics of InN QDs are studied. A deterioration process of InN QDs, caused by the oxygen incorporation into the InN lattice and formation of In2O3/InN composite structures was established from the results of TEM, XPS and PL studies. The results confirm the partial oxidation of the outer shell of the InN QDs, while the inner core of the QDs remains unoxidized. InN nanorods are grown on p-Si(100), structural characterizations are carried out by SEM, and TEM. InN nanodots are grown on p-Si(100), structural characterizations are performed. InN films were grown on Si(100) and Si(111) substrates and structural characterizations are carried out. Chapter 5 deals with the the heterojunction properties of InN/p-Si(100) and InN/p-Si(111).The transport behavior of the InN NDs/p-Si(100) diodes is studied at various bias voltages and temperatures. The temperature dependent ZB BH and ideality factors of the forward I-V data are observed, while it is governed through the modified Richardson’s plot. The difference in FB BH and C-V BH and the deviation of ideality factor from unity indicate the presence of inhomogeneities at the interface. The band offsets derived from C-V measurements are found to be Δ EC=1.8 eV and Δ EV =1.3 eV, which are in close agreement with Anderson’s model. The band offsets of InN/p-Si heterojunctions are estimated using XPS data. A type-III band alignment with a valence band offset of Δ EV =1.39 eV and conduction band offset of ΔEC=1.81 eV is identified. The charge neutrality level model provides a reasonable description of the band alignment of the InN/p-Si interface. The interface dipole deduced by comparison with the electron affinity model is 0.06 eV. The transport studies of InN NR/p-Si(100) heterojunctions have been carried out by conductive atomic force microscopy (CAFM) as well as conventional large area contacts. Discussion of the electrical properties has been carried out based on local current-voltage (I-V) curves, as well as on the 2D conductance maps. The comparative studies on transport properties of diodes fabricated with InN NRs and NDs grown on p-Si(100) substrates and InN thin films grown on p-Si(111) substrates have also been carried out. Chapter 6 deals with the growth and characterizations of InN/GaN heterostructures on p-Si(100) and p-Si(111) substarets and also on the InN/GaN/p-Si heterojunction properties. The X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) studies reveal a considerable variation in crystalline quality of InN with grown parameters. Deterioration in the rectifying nature is observed in the case of InN/GaN/p-Si(100) heterojunction substrate when compared to InN/GaN/p-Si (111) due to the defect mediated tunneling effect, caused by the high defect concentration in the GaN and InN films grown on Si(100) and also due to the trap centers exist in the interfaces. Reduction in ideality factor is also observed in the case of n-InN/n-GaN/p–Si(111) when compared to n-InN/n-GaN/p–Si(100) heterojunction. The sum of the ideality factors of individual diodes is consistent with experimentally observed high ideality factors of n-InN/n-GaN/p–Si double heterojunctions due to double rectifying heterojunctions and metal semiconductor junctions. Variation of effective barrier heights and ideality factors with temperature are confirmed, which indicate the inhomogeneity in barrier height, might be due to various types of defects present at the GaN/Si and InN/GaN interfaces. The dependence of forward currents on both the voltage and temperatures are explained by multi step tunneling model and the activation energis were estimated to be 25meV and 100meV for n-InN/n-GaN/p–Si(100) and n-InN/n-GaN/p–Si(111) heterojunctions, respectively. Chapter 7 gives the summary of the present study and also discusses about future research directions in this area.

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques et thermiques intéressantes. Grâce à sa large bande interdite, son fort champ de claquage et sa forte vitesse de saturation, il est très convoité pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance et de hautes fréquences pouvant fonctionner à haute température. De plus, grâce au caractère direct de sa bande interdite et son pouvoir d’émission à faible longueur d’onde, il est aussi avantageux pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection tels que les DELs, les lasers ou les photo-détecteurs. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d’inefficacités du dopage p et les densités élevées de défauts cristallins dans les couches épitaxiées ont constitué pendant longtemps des handicaps majeurs au développement des technologies GaN. Il a fallu attendre le début des années 1990 pour voir apparaître des couches épitaxiales de meilleures qualités et surtout pour obtenir un dopage p plus efficace [I. Akasaki, 2002]. Cet événement a été l’une des étapes clés qui a révolutionnée cette technologie et a permis d’amorcer son intégration dans le milieu industriel. Malgré l’avancé rapide qu’a connu le GaN et son potentiel pour la réalisation de sources optoélectroniques de haute efficacité, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques avec une faible résistivité, ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont généralement caractérisées par la présence d’une forte densité d’états de surface (D[indice inférieur it]). Cette forte D[indice inférieur it], aussi rapportée sur GaAs et sur d’autres matériaux III-V, détériore considérablement les performances des dispositifs réalisés et peut induire l’ancrage (‘pinning’) du niveau de Fermi. Elle constitue l’un des freins majeurs au développement d’une technologie MIS-GaN fiable et performante. Le but principal de ce projet de recherche est l’élaboration et l’optimisation d’un procédé de passivation du GaN afin de neutraliser ou minimiser l’effet de ses pièges. Les conditions de préparation de la surface du GaN avant le dépôt de la couche isolante (prétraitement chimique, gravure, prétraitement plasma etc.), les paramètres de dépôt de la couche diélectrique par PECVD (pression, température, flux de gaz, etc.) et le traitement post dépôt (tel que le recuit thermique) sont des étapes clés à investiguer pour la mise au point d’un procédé de passivation de surface efficace et pour la réalisation d’une interface isolant/GaN de bonne qualité (faible densité d’états de surface, faible densité de charges fixes, bonne modulation du potentiel de surface, etc.). Ceci permettra de lever l’un des verrous majeurs au développement de la technologie MIS-GaN et d’améliorer les performances des dispositifs micro- et optoélectroniques à base de ce matériau. Le but ultime de ce projet est la réalisation de transistors MISFETs ou MIS-HEMTs de hautes performances sur GaN.

Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Mg- und Si-Dotierung auf das Wachstum von InN-Nanodrähten (ND) sowie die Etablierung, Anwendung und Analyse des selektiven Wachstums von GaN-ND auf Si-Substraten. Das Ziel der Arbeit ist dabei die Herstellung von ND mit homogenen Abständen, Durchmessern und Längen. Zunächst wird die Si- und Mg-Dotierung von InN-ND untersucht. Dazu werden die einzelnen Wachstumsparameter variiert und deren Einfluss analysiert. Für die Si-Dotierung kann dabei eine nicht lineare Abhängigkeit der Morphologie der Nanodrähte mit der Substrattemperatur, dem In- und Si-Fluss beobachtet werden, sowie eine Erweiterung der Wachstumstemperatur zu Werten oberhalb des Einsetzens der Dekomposition bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Länge und des Durchmessers der ND. Für die Mg-Dotierung von InN-ND wird kein Einfluss auf die Morphologie beobachtet. Durch optische und elektrische Messungen wird ein Hinweis auf das erfolgreiche Einbringen der Mg-Atome als Akzeptoren beobachtet. Nach einer Voruntersuchung anhand von nicht-selektivem Wachstum bei hohen Substrattemperaturen, sowie einer Untersuchung zur Dekomposition von GaN-ND werden die Wachstumsparameter für das selektive Wachstum mit einem neuentwickelten Ansatz eingegrenzt. Anschließend wird innerhalb dieser Grenzen der Einfluss der Wachstumsparameter auf das selektive Wachstum untersucht. Ein Schwerpunkt dieser Untersuchungen wird auf die Nukleation gesetzt, bei der anhand von Variationen des Substratdesigns (Maskentyp, -material sowie Substratmaterial) und direkten Analysen für kurze Wachstumszeiten ein neuartiges Nukleationsmodell vorgeschlagen wird. Ein zweiter Schwerpunkt wird auf die Diffusion der Ga-Atome gesetzt. Es wird ein geometrisches Modell zur Analyse der Diffusion auf dem Substrat und den Seitenfacetten vorgeschlagen und durch experimentelle Daten untermauert. Anhand des Modells ergeben sich Diffusionslängen von 400 nm auf dem Substrat respektive 500 nm auf den ND-Seitenfacetten. / The influence of the Si- and Mg-doping of InN NWs as well as the selective area growth (SAG) of GaN NWs on Si substrates is developed, optimized and analyzed to obtain NWs with homogeneous periods, lengths and diameters. The variation of growth parameters for Si-doped InN NWs reveals a nonmonotonic morphology dependence and an extended growth window towards higher substrate temperatures. In addition, the NW density is reduced and the size homogeneity improved for high Si doping levels. In contrast, no impact on the morphology of the InN NWs is observed under Mg-doping. Nevertheless, indications of a successful incorporation of the Mg-acceptors are found by optical and electrical studies. The non-selective growth of GaN NWs at high substrate temperatures is investigated for various Ga-fluxes and substrate temperatures. Furthermore, the decomposition of GaN NWs is observed with an investigation of the NW morphology and the Ga desorption during growth. The nucleation on the mask (Si) and the substrate (AlN) is investigated with a new approach to define a growth window for the SAG. Within this window, the influence of the substrate temperature, growth time, Ga- and N-flux on the SAG is investigated by a separate variation for each parameter. An optimal set of growth parameters with respect to a homogeneous NW morphology is obtained. The growth on substrates with different mask types, mask materials and substrate materials reveals a novel nucleation mechanism. The asymmetric nucleation in the holes of the mask could be attributed to a local increase in the Ga-supply by blocking the impinging Ga-flux at the vertical sidewalls. The diffusion of Ga-atoms on the substrate and the NW is finally investigated. A descriptive model is proposed and the fit to experimental data reveals a diffusion length of 400 nm. The limitation of the axial growth is explained by the diffusion length of Ga atoms on the NW sidewall and a diffusion length of approximately 500 nm is obtained.

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Ce travail de thèse porte sur la caractérisation à l'échelle du fil unique des propriétés de fils GaN de taille micronique (µfil), en vue du développement d'une technologie de diodes électroluminescentes (LEDs) à base d'une assemblée de µfils GaN crûs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Chaque µfil est lui-même une LED constituée d'un cœur de type n et d'une coquille de type p, entre lesquels est insérée une zone active composée de multi-puits quantiques InGaN/GaN. En premier lieu, les propriétés électriques des différentes régions du cœur de type n ont été analysées par des mesures de résistivité à l'échelle du fil unique. Le µfil GaN:Si fortement dopé possède une conductivité électrique jamais rapportée dans le cas de couches planaires comparables. Une approche originale combinant une mesure de résistivité et de propriétés thermoélectriques a alors été développée pour séparer les contributions de la densité d'électrons et de leur mobilité à température ambiante dans ces µfils. Des mesures optiques résolues spatialement de cathodoluminescence (CL) et µRaman confirment ces valeurs de densités d'électrons. Une seconde partie détaille une étude résolue spatialement des jonctions p-n cœur-coquille par des techniques à base d'un faisceau électronique. Sur un µfil clivé, la jonction tridimensionnelle (axiale et radiale) existante dans ces structures est mise en évidence par une cartographie du champ électrique (courant induit par faisceau électronique, EBIC) ou du potentiel électrostatique (contraste de tension des électrons secondaires). Ces techniques renseignent alors sur les niveaux de dopage donneur et accepteur et les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires à proximité de la jonction. La cartographie EBIC décrit également l'état d'activation des dopants Mg dans la coquille p-GaN:Mg. Finalement, la combinaison de mesures EBIC et CL avec une étude des propriétés électro-optiques d'un µfil LED, fournit des voies d'optimisation pour la réalisation de LEDs à base de µfils plus efficaces. / This thesis deals with the characterization of GaN microwires (µwires) at the single wire level,toward the development of a light-emitting diode (LED) technology based on an ensemble of standing GaN µwires grown by metal organic vapour phase epitaxy. Each µwire is actually an LED consisting of an n-type core and a p-type shell, between which an InGaN/GaN multiquantum well active region is inserted. First, the electrical properties of the different parts of the n-type core were determined using resistivity measurements at the single wire level. The GaN:Si µwire exhibits conductivity values never reported by the planar layer counterparts. An original technique combining resistivity and thermoelectric measurements was developed to infer the electron density and mobility in these µwires. Spatially resolved optical measurements such as cathodoluminescence (CL) and µRaman confirmed the electron density values. The second part describes a spatially resolved study of the core-shell p-n junction using electron beam probing techniques. On a cleaved wire, the tridimensional (axial and radial) junction was highlighted by mapping the electric field (electron beam induced current, EBIC) or the electrostatic potential (secondary electron voltage contrast). These techniques yielded the donor and acceptor doping levels as well as the minority carriers diffusion lengths in the vicinity of the junction. EBIC mapping also provided the activation state of Mg dopants in the p-GaN:Mg shell. Finally, a study of the electro-optical properties of a single µwire LED, combined with EBIC and CL measurements, paves the way to the fabrication of more efficient µwire-based LED.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der ramanspektroskopischen Charakterisierung von Galliumnitrid (GaN). Der Zusammenhang zwischen Waferkrümmung und mechanischer Restspannungen wird diskutiert. Mit Hilfe konfokaler Mikro-Ramanmessungen wurden Dotierprofile nachgewiesen sowie die Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit ermittelt. Sämtliche Ramantensorelemente von wz-GaN wurden erstmals durch die Anwendung verschiedener Streugeometrien bestimmt. Eine neu entwickelte Vorwärtsstreuanordnung ermöglichte die Beobachtung von Phonon-Polaritonen. Es konnte gezeigt werden, dass von der theoretischen und experimentellen Betrachtung der Ramanstreuintensitäten dieser Elementaranregungen eindeutig das Vorzeichen der Faust-Henry-Koeffizienten von wz-GaN abgeleitet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle Faust-Henry-Koeffizienten für GaN experimentell bestimmt. / This thesis focuses on special aspects of the Raman spectroscopical characterization of wurtzite gallium nitride (wz-GaN). The correlation between wafer curvature and residual stress is discussed. By means of confocal micro-Raman measurements doping profiles were detected as well as the density and mobility of free charge carriers were deduced. All Raman scattering cross sections of wz-GaN were determined the first time using different scattering configurations. A novel method for near-forward scattering was developed in order to observe phonon polaritons with pure symmetry. It is shown that the theoretical and experimental consideration of the Raman scattering efficiency of these elementary excitations allow for determining the sign of the Faust-Henry coefficients of wz-GaN unambiguously. The Faust-Henry coefficients of GaN were deduced from Raman scattering efficiencies of corresponding TO and LO phonons.

Le projet de thèse s'inscrit dans le consortium industriel académique MEGAN (More Electric Gallium Nitride) réunissant de nombreux industriels français, grands groupes et PME (Renault, Schneider Electric, Safran, IDMOS, Valeo...) et académiques (G2Elab, Ampère, SATIE...) et le CEA. Le projet consiste à introduire de nouvelles technologies de composants de puissance à base de matériaux en GaN afin d'augmenter les performances des convertisseurs statiques pour divers types d'applications. La thèse est intégralement focalisée sur la partie Driver intégré de composants GaN à base d'une technologie CMOS SOI XFAB XT018 pour favoriser l'utilisation des systèmes à haute fréquence et haute température. La thèse consiste à étudier des architectures des drivers et des fonctionnalités innovantes permettant de limiter les problèmes inhérents à la haute fréquence et la haute température (Compatibilité ÉlectroMagnétique- CEM, pertes de commande par courant de fuites, limites fonctionnelles...). Suite à l'étude des architectures à l'échelle du bras d'onduleur à base de composants discrets, un circuit intégré est conçu en collaboration avec les partenaires du projet. Le circuit intégré est alors réalisé avant d'être caractérisé puis mis en œuvre dans des démonstrateurs dans le cadre du projet. En particulier, des caractéristiques de réponses en fréquence et de tenue en température seront proposées. La mise en œuvre est conduite au sein même du module de puissance intégrant les composants de puissance en GaN, au plus près de ceux-ci pour favoriser les fonctionnements à haute fréquence. Le démonstrateur final peut servir plusieurs types d'applications de part sa versatilité. Le travail de thèse est alors plus spécifiquement orienté sur l'étude du comportement haute fréquence du driver et de l'ensemble interrupteurs avec fortes vitesses de commutation / drivers d’un bras d'onduleur. / This Ph.D work is part of the industrial academic project MEGaN (More Electric Gallium Nitride) involving many French companies (Renault, Schneider Electric, Safran, ID MOS, Valeo, ...), academic institutions (G2Elab, Ampere, SATIE ...) and CEA. MEGaN project aims are to introduce a new technology of the power components based on GaN materials, to increase the performance of the static converters for various applications.This research is highly focused on the integrated driver and other power device peripheral units for GaN-based components. This is done in SOI CMOS XFAB XT018 technology to promote performing in high-frequency and high temperature applications. It involves examining driver's architectures and features, innovative methods to limit problems inherent in high frequency and high temperature (conducted EMI perturbation, delay mismatch, functional limitations ...). After studying the architecture at the scale of the discrete circuits, the integrated circuits are designed in collaboration with the project partners. The integrated circuit is manufactured by foundry XFAB before being characterized and implemented.In particular, the characteristics at high frequency response and high temperature compliance are proposed. The final implementation is conducted in the hybrid power module power with the power components GaN, as close as possible to those for operation at high frequency which is presented in the end of this thesis. The final demonstrator serves several kinds of applications because of its versatility. The thesis is specifically focused on the study of high frequency behavior of the driver and power switches with high switching speed / the driver’s components of an inverter leg.

Dans le but de gérer la consommation et ainsi que la production efficace des énergies renouvelables, l’utilisation et augmentation de l’efficacité des systèmes de conversion d’énergie est devenue indispensable. Dans ce contexte, les transistors en nitrure de gallium (GaN HFETs) pour une densité de puissance commutée très importante, offrent des nouvelles possibilités et ils tirent vers le haut la gestion efficace des énergies renouvelables. Toutefois, cette nouvelle possibilité passe par un pilotage efficace des composants et une encapsulation et des interconnexions optimales. Ces travaux de thèse étudient et analyse les avantages et inconvénients d'une nouvelle structure de conversion multi cellulaire et ceux d’un driver spécifique multivoies monolithique et synchronisé pour les composants GaN, appliqué dans ce contexte précis. Ce manuscrit de thèse est composé de quatre chapitres. Après une étude bibliographique, le positionnement du convertisseur DAB (Dual Active Bridge) parmi les autres structures de conversion DC à l’aide d’une nouvelle méthodologie de comparaison (FOM topologique – Figure de Mérite) est présenté dans le premier chapitre. Afin de diminuer les contraintes de conversion d’énergie, une étude est amenée dans le chapitre 2 sur les principaux défis et enjeux d’une solution générique à travers de réalisation d’un réseau de convertisseurs. Le chapitre 3 présente la partie importante d’expérimentation et d’optimisation de la cellule élémentaire à base de convertisseurs DAB des points de vue fonctionnels mais aussi et surtout structurels. L’étude de l’isolation galvanique de la structure de conversion DAB reste l'objectif principal à développer pour démontrer le potentiel de remplacer le transformateur par une isolation capacitive. La conception de la puce de commande dédiée aux nouveaux transistors GaNs, les résultats pratiques des performances sont présentés dans le dernier chapitre. Certaines comparaisons du driver QGD (Quad Gate Driver) avec les autres solutions de transfert d’ordres de commande sont également discutées. La mise en œuvre du circuit de commande dans un convertisseur DAB afin de valider le fonctionnement de QGD est introduite dans les perspectives. / In order to improve the management and the production efficiency in renewable energy, power electronics systems have become important contributors. In this context, gallium nitride transistors (GaN HFETs) provide new opportunities for high power density, high switching speed and they pull up the effective management of renewable energies. However, this new opportunity requires effective gate drivers and optimal packaging and assembly. This thesis will introduce the general approach of a new architecture for multi cellular conversion and a monolithic multichannel and synchronized drive for GaN components, which are applicable in our specific context. This thesis is composed of four chapters. A bibliographic section is presented in first chapter. A new comparative methodology has been developed in this chapter in order to benchmark the DAB (Dual Active Bridge) converter with respect to other DC converters. In the second chapter, a generic solution (converter grid) has been explained in order to reduce the energy conversion constraints. Chapter 3 presents the important parts of the experimentation and the optimization of DAB converter. High frequency transformer replacing by capacitors is the main objective of this section. The design of the Quad Gate Driver (QGD) IC dedicated to GaNs transistors control in H bridge configuration and the results of their performances are presented in the last chapter. Some comparisons of this approach with other signal transfer solutions are also discussed. The implementation of the QGD in a full bridge transistor converter is introduced into the perspective section.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation à l'échelle du fil unique des propriétés de fils GaN de taille micronique (µfil), en vue du développement d'une technologie de diodes électroluminescentes (LEDs) à base d'une assemblée de µfils GaN crûs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Chaque µfil est lui-même une LED constituée d'un cœur de type n et d'une coquille de type p, entre lesquels est insérée une zone active composée de multi-puits quantiques InGaN/GaN. En premier lieu, les propriétés électriques des différentes régions du cœur de type n ont été analysées par des mesures de résistivité à l'échelle du fil unique. Le µfil GaN:Si fortement dopé possède une conductivité électrique jamais rapportée dans le cas de couches planaires comparables. Une approche originale combinant une mesure de résistivité et de propriétés thermoélectriques a alors été développée pour séparer les contributions de la densité d'électrons et de leur mobilité à température ambiante dans ces µfils. Des mesures optiques résolues spatialement de cathodoluminescence (CL) et µRaman confirment ces valeurs de densités d'électrons. Une seconde partie détaille une étude résolue spatialement des jonctions p-n cœur-coquille par des techniques à base d'un faisceau électronique. Sur un µfil clivé, la jonction tridimensionnelle (axiale et radiale) existante dans ces structures est mise en évidence par une cartographie du champ électrique (courant induit par faisceau électronique, EBIC) ou du potentiel électrostatique (contraste de tension des électrons secondaires). Ces techniques renseignent alors sur les niveaux de dopage donneur et accepteur et les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires à proximité de la jonction. La cartographie EBIC décrit également l'état d'activation des dopants Mg dans la coquille p-GaN:Mg. Finalement, la combinaison de mesures EBIC et CL avec une étude des propriétés électro-optiques d'un µfil LED, fournit des voies d'optimisation pour la réalisation de LEDs à base de µfils plus efficaces. / This thesis deals with the characterization of GaN microwires (µwires) at the single wire level,toward the development of a light-emitting diode (LED) technology based on an ensemble of standing GaN µwires grown by metal organic vapour phase epitaxy. Each µwire is actually an LED consisting of an n-type core and a p-type shell, between which an InGaN/GaN multiquantum well active region is inserted. First, the electrical properties of the different parts of the n-type core were determined using resistivity measurements at the single wire level. The GaN:Si µwire exhibits conductivity values never reported by the planar layer counterparts. An original technique combining resistivity and thermoelectric measurements was developed to infer the electron density and mobility in these µwires. Spatially resolved optical measurements such as cathodoluminescence (CL) and µRaman confirmed the electron density values. The second part describes a spatially resolved study of the core-shell p-n junction using electron beam probing techniques. On a cleaved wire, the tridimensional (axial and radial) junction was highlighted by mapping the electric field (electron beam induced current, EBIC) or the electrostatic potential (secondary electron voltage contrast). These techniques yielded the donor and acceptor doping levels as well as the minority carriers diffusion lengths in the vicinity of the junction. EBIC mapping also provided the activation state of Mg dopants in the p-GaN:Mg shell. Finally, a study of the electro-optical properties of a single µwire LED, combined with EBIC and CL measurements, paves the way to the fabrication of more efficient µwire-based LED.

Ce travail se concentre sur l'ingénierie Intersubband (ISB) des nanofils où nous avons conçu des hétérostructures de GaN / (Al, Ga) N intégrées dans un nanofil GaN pour le rendre optiquement actif dans la région spectrale infrarouge (IR), en utilisant un faisceau moléculaire assisté par plasma épitaxie comme méthode de synthèse. Les transitions ISB se réfèrent aux transitions d'énergie entre les niveaux confinés quantiques dans la bande de conduction de la nanostructure.Un contrôle précis des niveaux élevés de dopage est crucial pour les dispositifs ISB. Par conséquent, nous explorons Ge comme un dopant alternatif pour GaN et AlGaN, pour remplacer le Si couramment utilisé. Nous avons cultivé des couches minces de GaN dopé Ge avec des concentrations de porteurs atteignant 6,7 × 1020 cm-3 à 300 K, bien au-delà de la densité de Mott, et nous avons obtenu des couches minces conductrices AlxGa1-xN dopées Ge avec une fraction molaire Al jusqu'à x = 0,64. Dans le cas de GaN, la présence de Ge n'affecte pas la cinétique de croissance ou les propriétés structurales des échantillons. Cependant, dans des échantillons AlxGa1-xN dopés par Ge avec x> 0,4, la formation de grappes riches en Ge a été observée, avec une baisse de la concentration du porteur.Ensuite, nous avons réalisé une étude comparative du dopage Si vs Ge dans des hétérostructures GaN / AlN pour des dispositifs ISB dans la gamme IR à courte longueur d'onde. Nous considérons les architectures planaire et nanofils avec des niveaux de dopage et des dimensions de puits identiques. Sur la base de cette étude, nous pouvons conclure que les deux Si et Ge sont des dopants appropriés pour la fabrication d'hétérostructures GaN / AlN pour l'étude des phénomènes optoélectroniques ISB, à la fois dans les hétérostructures planaires et nanofils. Dans cette étude, nous rapportons la première observation de l'absorption d'ISB dans des puits quantiques GaN / AlN dopés au Ge et dans des hétérostructures de nanofils GaN / AlN dopés au Si. Dans le cas des nanofils, nous avons obtenu une largeur de ligne d'absorption ISB record de l'ordre de 200 meV. Cependant, cette valeur est encore plus grande que celle observée dans les structures planaires, en raison des inhomogénéités associées au processus de croissance auto-assemblé.En essayant de réduire les inhomogénéités tout en gardant les avantages de la géométrie des nanofils, nous présentons également une analyse systématique de l'absorption de l'ISB dans les micro et nanopillars résultant d'un traitement top-down des hétérostructures planaires GaN / AlN. Nous montrons que lorsque l'espacement du réseau de piliers est comparable aux longueurs d'onde sondées, les résonances des cristaux photoniques dominent les spectres d'absorption. Cependant, lorsque ces résonances sont à des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que l'absorption ISB, l'absorption est clairement observée, sans aucune dégradation de son amplitude ou de sa largeur de raie.Nous explorons également la possibilité d'étendre cette technologie de nanofils à des longueurs d'onde plus longues, pour les absorber dans la région IR à mi-longueur d'onde. En utilisant des hétérostructures de nanofils GaN / AlN, nous avons fait varier la largeur du puits GaN de 1,5 à 5,7 nm, ce qui a conduit à un décalage rouge de l'absorption ISB de 1,4 à 3,4 μm. Remplaçant les barrières AlN par Al0.4Ga0.6N, le composé ternaire représente une réduction de la polarisation, ce qui conduit à un nouveau décalage rouge des transitions ISB à 4,5-6,4 um.L'observation de l'absorption de l'ISB dans des ensembles de nanofils nous a motivés pour le développement d'un photodétecteur infrarouge à puits quantiques à base de nanofils. La première démonstration d'un tel dispositif, incorporant une hétérostructure de nanofils GaN / AlN qui absorbe à 1,55 μm, est présentée dans ce manuscrit. / Due to its novel properties nanowires have emerged as promising building blocks for various advanced device applications. This work focuses on Intersubband (ISB) engineering of nanowires where we custom design GaN/(Al,Ga)N heterostructures to be inserted in a GaN nanowire to render it optically active in the infrared (IR) spectral region. ISB transitions refer to energy transitions between quantum confined levels in the conduction band of the nanostructure. All the structures analised in this thesis were synthesized by plasma-assisted molecular beam epitaxy.Precise control of high doping levels is crucial for ISB devices. Therefore, we explored Ge as an alternative dopant for GaN and AlGaN, to replace commonly-used Si. We grew Ge-doped GaN thin films with carrier concentrations of up to 6.7 × 1020 cm−3 at 300 K, well beyond the Mott density, and we obtained conductive Ge-doped AlxGa1-xN thin films with an Al mole fraction up to x = 0.66. In the case of GaN, the presence of Ge does not affect the growth kinetics or structural properties of the samples. However, in Ge doped AlxGa1-xN samples with x > 0.4 the formation of Ge rich clusters was observed, together with a drop in the carrier concentration.Then, we performed a comparative study of Si vs. Ge doping in GaN/AlN heterostructures for ISB devices in the short-wavelength IR range. We considered both planar and nanowire architectures with identical doping levels and well dimensions. Based on this study, we concluded that both Si and Ge are suitable dopants for the fabrication of GaN/AlN heterostructures for the study of ISB optoelectronic phenomena, both in planar and nanowire heterostructures. Within this study, we reported the first observation of ISB absorption in Ge-doped GaN/AlN quantum wells and in Si-doped GaN/AlN nanowire heterostructures. In the case of nanowires, we obtained a record ISB absorption linewidth in the order of 200 meV. However, this value is still larger than that observed in planar structures, due to the inhomogeneities associated to the self-assembled growth process.Trying to reduce the inhomogeneities while keeping the advantages of the nanowire geometry, we also presented a systematic analysis of ISB absorption in micro- and nanopillars resulting from top-down processing GaN/AlN planar heterostructures. We showed that, when the spacing of the pillar array is comparable to the probed wavelengths, photonic crystal resonances dominate the absorption spectra. However, when these resonances are at much shorter wavelengths than the ISB absorption, the absorption is clearly observed, without any degradation of its magnitude or linewidth.We also explore the possibility to extend this nanowire technology towards longer wavelengths, to absorb in the mid-wavelength IR region. Using GaN/AlN nanowire heterostructures, we varied the GaN well width from 1.5 to 5.7 nm, which led to a red shift of the ISB absorption from 1.4 to 3.4 µm. Replacing the AlN barriers by Al0.4Ga0.6N, the reduction of polarization led to a further red shift of the ISB transitions to 4.5-6.4 µm.The observation of ISB absorption in nanowire ensembles motivated us for the development of a nanowire-based quantum well infrared photodetector (NW-QWIP). The first demonstration of such a device, incorporating a GaN/AlN nanowire heterostructure that absorbs at 1.55 µm, is presented in this manuscript.