Les nanofils semiconducteurs sont des nano-objets dont la longueur peut aller jusqu'à quelques microns et dont la section peut être inférieure à la dizaine de nanomètre. En particulier, les nanofils de nitrures d'éléments III (GaN, AlN, InN, leurs alliages ternaires et leurs hétérostructures) sont extrêmement prometteurs en vue du développement d’une nouvelle génération de dispositifs d’électronique et d’optoélectronique tels que photodétecteurs, nanotransistors, biocapteurs, source de lumière, cellules solaires, etc.Dans ce travail, nous présentons la fabrication et la caractérisation de deux types de dispositifs à base de nanofils de nitrures III-V : des photodétecteurs d’une part et des dispositifs émetteurs de lumière d’autre part. Tout d'abord, nous avons réalisé et caractérisé un photodétecteur UV aveugle à la lumière du jour à base de nanofils de GaN verticalement alignés sur un substrat de Si(111) contenant une jonction p-n. Nous avons montré que ces dispositifs présentent une réponse supérieure à celle de leurs homologues en couches minces. Ensuite, nous avons fait la démonstration de photodétecteurs UV à base de nanofils uniques contenant des disques quantiques GaN / AlN multi-axiales insérés dans une région non intentionnellement dopé. Les résultats obtenus par spectroscopie de photoluminescence (PL) et cathodoluminescence (CL) montrent des contributions spectrales en-dessous et au-dessus de la bande interdite du GaN attribuées a la variation de l'épaisseur des disques. Les spectres de photocourant montrent un pic sous la bande interdite lié à l'absorption inter-bande entre les états confinés dans les disques les plus larges. Enfin, nous présentons une étude de photodétecteurs et émetteurs de lumière à base de nanofils de GaN contentant une hétérostructure cœur-coquille InGaN / GaN. Les fils utilisés comme photodétecteurs ont montré une contribution en dessous de la bande interdite de GaN. D’autre part, les mesures OBIC démontrent que ce signal provient exclusivement de la région active. Les fils de type LED basés sur la même structure montrent une forte émission d'électroluminescence et un décalage vers le rouge lorsque le taux d’indium présent dans les disques quantiques augmente, en accord avec les résultats de photoluminescence et de cathodoluminescence. / Semiconductor nanowires are nanostructures with lengths up to few microns and small cross sections (10ths of nanometers). In the recent years the development in the field of III-N nanowire technology has been spectacular. In particular they are consider as promising building in nanoscale electronics and optoelectronics devices; such as photodetectors, transistors, biosensors, light source, solar cells, etc. In this work, we present fabrication and the characterization of photodetector and light emitter based devices on III-N nanowires. First we present a study of a visible blind photodetector based on p-i-n GaN nanowires ensembles grown on Si (111). We show that these devices exhibit a high responsivity exceeding that of thin film counterparts. We also demonstrate UV photodetectors based on single nanowires containing GaN/AlN multi-axial quantum discs in the intrinsic region of the nanowires. Photoluminescence and cathodoluminescence spectroscopy show spectral contributions above and below the GaN bandgap according to the variation of the discs thickness. The photocurrent spectra show a sub-band-gap peak related to the interband absorption between the confined states in the large Qdiscs. Finally we present a study of photodetectors and light emitters based on radial InGaN/GaN MQW embedded in GaN wires. The wires used as photodetectors showed a contribution below the GaN bandgap. OBIC measurements demonstrate that, this signal is exclusively generated in the InGaN MQW region. We showed that LEDs based on this structure show a electroluminescence emission and a red shift when the In content present in the QWs increases which is in good agreement with photoluminescence and cathodoluminescence results.

Ce travail porte sur la conception, l’épitaxie, et la caractérisation structural et optique de deux types de nanostructures, à savoir des boîtes quantiques AlGaN/AIN et des nanodisques AlGaN/AIN sur nanofils GaN. Ces nanostructures ont été synthetisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE) et ont été conçues pour être le matériau actif d’une lampe ultraviolette à pompage électronique (EPUV) pour la purification de l'eau. En modifiant la composition Al et la géométrie des boîtes quantiques AlGaN/AlN, leur longueur d'onde d'émission peut être réglée dans la gamme 320-235 nm tout en gardant une grande efficacité quantique interne (> 35%). Le confinement quantique a été confirmé par la stabilité de l'intensité et du temps de déclin de la photoluminescence avec la température. La quantité optimale d’AlGaN dans les boîtes pour obtenir une luminescence maximale à la température ambiante est un compromis entre densité de boîtes quantiques et rendement quantique interne. L'effet de la variation du rapport hauteur/diamètre de base sur les transitions interbande et intrabande dans les boîtes a été explorée par ajustement des données expérimentales à des calculs tridimensionnels du diagramme de bande et des niveaux quantiques. En ce qui concerne les nanodisques d’AlGaN sur nanofils GaN, l'interdiffusion Al-Ga aux interfaces et l'hétérogénéité de l'alliage ternaire sont attribuées aux processus de relaxation des contraintes. Cette interprétation a été prouvée par la corrélation des données expérimentales avec des calculs de distribution déformation en trois dimensions effectuées sur des structures qui imitent la séquence de croissance réelle. Malgré le défi du manque d'homogénéité, la longueur d'onde d'émission des nanodisques AlGaN/AIN peut être réglée dans la gamme ultraviolette en préservant une haute efficacité quantique interne. Un prototype de lampe EPUV a été fabriqué en utilisant une région active à base de boîtes quantiques AlGaN/AIN avec les valeurs optimals d'épaisseur de la région active, d'épaisseur de la barrière AlN, et de quantité d’AlGaN dans chaque couche de boîtes. Pour ce premier dispositif, le SiC a été utilisé comme substrat pour éviter les problèmes associés à l’évacuation de charge ou de chaleur. Un essai de purification de l'eau par une telle lampe a été réalisé. Tous les échantillons ont été purifiés avec succès à la dose prévue. / This work reports on the design, epitaxial growth, and the structural, and optical characterization of two types of nanostructures, namely AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots (SK-QD) and AlGaN/AlN nanodisks (NDs) on GaN nanowires (NWs). These nanostructures were grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) and were conceived to be the active media of electron-pumped ultraviolet (EPUV) emitters for water purification, operating in mid-ultraviolet range. The peak emission wavelength of three-dimensional SK-QD can be tuned in mid-ultraviolet range while keeping high internal quantum efficiency (IQE > 35%) by modifying the Al composition and the QD geometry. The efficient carrier confinement was confirmed by the stability of the photoluminescence intensity and decay time with temperature. The optimal deposited amount of AlGaN in AlGaN/AlN QDs which grants maximum luminescence at room temperature was determined by finding a compromise between the designs providing maximum IQE and maximum QD density. The effect of the variation of the QD height/base-diameter ratio on the interband and intraband optical properties was explored by fitting the experimental data with three-dimensional calculations of the band diagram and quantum levels. Regarding AlGaN/AlN NDs on GaN NWs, the Al-Ga intermixing at Al(Ga)N/GaN interfaces and the alloy inhomogeneity in AlGaN/AlN NDs are attributed to the strain relaxation process. This interpretation was proved by correlation of experimental data with three-dimensional strain distribution calculations performed on structures that imitate the real growth sequence. Despite the challenge of inhomogeneity, the emission wavelength of AlGaN/AlN NDs can be tuned in mid-ultraviolet range while preserving high IQE by adjusting the ND thickness and Al content. A prototype of EPUV emitter was fabricated using the AlGaN/AlN SK-QDs active region with proposed optimal design of active region thickness, AlN barrier thickness, and amount of AlGaN in each QD layer. For this first device, SiC was used as a substrate to prevent problems associated to charge or heat evacuation. A water purification test by such prototype EPUV emitter was carried out by irradiating E-coli bacteria, showing that all the specimens were successfully purified at the predicted ultraviolet dose.

Ce travail porte sur la conception, l’épitaxie, et la caractérisation structural et optique de deux types de nanostructures, à savoir des boîtes quantiques AlGaN/AIN et des nanodisques AlGaN/AIN sur nanofils GaN. Ces nanostructures ont été synthetisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE) et ont été conçues pour être le matériau actif d’une lampe ultraviolette à pompage électronique (EPUV) pour la purification de l'eau. En modifiant la composition Al et la géométrie des boîtes quantiques AlGaN/AlN, leur longueur d'onde d'émission peut être réglée dans la gamme 320-235 nm tout en gardant une grande efficacité quantique interne (> 35%). Le confinement quantique a été confirmé par la stabilité de l'intensité et du temps de déclin de la photoluminescence avec la température. La quantité optimale d’AlGaN dans les boîtes pour obtenir une luminescence maximale à la température ambiante est un compromis entre densité de boîtes quantiques et rendement quantique interne. L'effet de la variation du rapport hauteur/diamètre de base sur les transitions interbande et intrabande dans les boîtes a été explorée par ajustement des données expérimentales à des calculs tridimensionnels du diagramme de bande et des niveaux quantiques. En ce qui concerne les nanodisques d’AlGaN sur nanofils GaN, l'interdiffusion Al-Ga aux interfaces et l'hétérogénéité de l'alliage ternaire sont attribuées aux processus de relaxation des contraintes. Cette interprétation a été prouvée par la corrélation des données expérimentales avec des calculs de distribution déformation en trois dimensions effectuées sur des structures qui imitent la séquence de croissance réelle. Malgré le défi du manque d'homogénéité, la longueur d'onde d'émission des nanodisques AlGaN/AIN peut être réglée dans la gamme ultraviolette en préservant une haute efficacité quantique interne. Un prototype de lampe EPUV a été fabriqué en utilisant une région active à base de boîtes quantiques AlGaN/AIN avec les valeurs optimals d'épaisseur de la région active, d'épaisseur de la barrière AlN, et de quantité d’AlGaN dans chaque couche de boîtes. Pour ce premier dispositif, le SiC a été utilisé comme substrat pour éviter les problèmes associés à l’évacuation de charge ou de chaleur. Un essai de purification de l'eau par une telle lampe a été réalisé. Tous les échantillons ont été purifiés avec succès à la dose prévue. / This work reports on the design, epitaxial growth, and the structural, and optical characterization of two types of nanostructures, namely AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots (SK-QD) and AlGaN/AlN nanodisks (NDs) on GaN nanowires (NWs). These nanostructures were grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) and were conceived to be the active media of electron-pumped ultraviolet (EPUV) emitters for water purification, operating in mid-ultraviolet range. The peak emission wavelength of three-dimensional SK-QD can be tuned in mid-ultraviolet range while keeping high internal quantum efficiency (IQE > 35%) by modifying the Al composition and the QD geometry. The efficient carrier confinement was confirmed by the stability of the photoluminescence intensity and decay time with temperature. The optimal deposited amount of AlGaN in AlGaN/AlN QDs which grants maximum luminescence at room temperature was determined by finding a compromise between the designs providing maximum IQE and maximum QD density. The effect of the variation of the QD height/base-diameter ratio on the interband and intraband optical properties was explored by fitting the experimental data with three-dimensional calculations of the band diagram and quantum levels. Regarding AlGaN/AlN NDs on GaN NWs, the Al-Ga intermixing at Al(Ga)N/GaN interfaces and the alloy inhomogeneity in AlGaN/AlN NDs are attributed to the strain relaxation process. This interpretation was proved by correlation of experimental data with three-dimensional strain distribution calculations performed on structures that imitate the real growth sequence. Despite the challenge of inhomogeneity, the emission wavelength of AlGaN/AlN NDs can be tuned in mid-ultraviolet range while preserving high IQE by adjusting the ND thickness and Al content. A prototype of EPUV emitter was fabricated using the AlGaN/AlN SK-QDs active region with proposed optimal design of active region thickness, AlN barrier thickness, and amount of AlGaN in each QD layer. For this first device, SiC was used as a substrate to prevent problems associated to charge or heat evacuation. A water purification test by such prototype EPUV emitter was carried out by irradiating E-coli bacteria, showing that all the specimens were successfully purified at the predicted ultraviolet dose.

Au cours de ce travail, nous avons étudié deux types de défauts interfaciaux: domaines d’inversion (DI) et joints de grains (JG) dans des semiconducteurs de structure wurtzite (nitrures- d’éléments III, ZnO et l’hétérostructure ZnO/GaN) en utilisant le MET haute résolution et la modélisation ab initio. Dans le cas des DI, nos analyses théoriques montrent qu'une configuration tête-à-tête avec une séquence d'empilement à l’interface AaBbAa-AcCaA (H4) est la structure la plus stable dans les composés binaires (nitrures et ZnO wurtzites). De plus, un gaz d’électrons (2DEG) ou de trous (2DHG) à 2 dimensions est formé pour les configurations « tête-à-tête » ou queue-à-queue. A l’interface ZnO/GaN, l'observation de MET très haute résolution a confirmé la configuration H4 avec une interface -Zn-O-Ga-N. Notre modélisation théorique a mis en évidence la formation d’un gas de trous à 2 dimensions à cette hétérointerface. Nous avons aussi réalisé l’étude topologique, théorique et par MET des joints de grains de rotation autour de l’axe [0001] dans ces matériaux. Dans le GaN, nous avons trouvé que les plans du joint sont simplement formés par des dislocations de type a déjà connues pour le matériau en couche mince. Par contre, dans ZnO, la théorie topologique est complétement démontrée, et la dislocation [101 ̅0] est une brique de base dans la constitution des joints de grains avec des cycles d’atomes 6-8-4-. / In this work, we investigated two kinds of interfacial defects: inversion domain boundaries (IDBs) and grain boundaries (GB) in wurtzite semiconductors (III-nitrides, ZnO and ZnO/GaN heterostructure) using high-resolution TEM and first-principle calculations. For IDBs, theoretical calculation indicated that a head-to-head IDB with an interfacial stacking sequence of AaBbAa-AcCaA (H4) is the most stable structure in wurtzite compounds. Moreover, 2-dimensional electron gas (2DEG) and 2-dimensional hole gas (2DHG) build up in head-to-head and tail-to-tail IDBs, respectively. Considering the IDB at the ZnO/GaN heterointerface, TEM observations unveiled the H4 configuration with a -Zn-O-Ga-N interface. Moreover the theoretical investigation also confirmed stability of this interface along with the corresponding formation of a 2DHG. A detailed topological, TEM and theoretical investigation of [0001] tilt Grain Boundaries (GBs) in wurtzite symmetry has also been carried out. In GaN, it is shown that the GBs are only made of separated a edge dislocations with 4, 5/7 and 8 atoms rings. For ZnO, a new structural unit: the [101 ̅0] edge dislocation made of connected 6-8-4-atom rings is reported for the first time, in agreement with an early theoretical report on dislocations and jogs in the wurtzite symmetry.