Propriétés optoélectroniques de LEDs à nanofils coeur-coquille InGaN/GaN

III-nitrides i.e. GaN, InN, AlN and their alloys are semiconductors of choice to fabricate optoelectronic devices such as Light Emitting Diodes (LEDs). One of their most interesting features relies in their direct band gap that covers a very wide spectral range, from infrared (0.65 eV for InN) to UV (6.2 eV for AlN). However, the lack of lattice-matched substrate has been responsible for strong crystalline quality issues in heteroepitaxial thin films. Thanks to stress relaxation at their surface, nanowires provide a smart solution to this problem. Besides, they have a few more assets. In comparison to thin films, nanowires can improve the internal quantum efficiency of LEDs because of their higher effective surface that leads to lowered current densities and thus mitigated Auger effect. The internal quantum efficiency also benefits from the possibility to grow the active region on non polar facets, thus getting rid of the detrimental high internal polarization-induced electric field in quantum wells. Furthermore, the photon extraction efficiency is enhanced by the guiding effect of nanowires. However, despite all this promising advantages, one of the main challenges remains the control of structural homogeneity from wire to wire but also inside single wires.In this context, my work has consisted into studying from an experimental and theoretical point of view the consequences of these structural inhomogeneities on the optoelectronic properties of nanowire based LED devices. I have shown that the current tends to gather into indium-rich regions for moderate bias. At higher bias, the dominant current path though the junction is generally located under the p-contact on the nanowire shell. I have theoretically demonstrated that the unipolar and ambipolar diffusion of carriers as well as their drift induced by a composition gradient inside the quantum wells is not significant in the devices I have studied. Moreover, I took also an interest in the detailed analyze of I-V curves. Thanks to a simple model, I have identified the presence of leakage current related to defect- and phonon-assisted tunneling effect. In the second part of my work, I have focused onto the characterization of core-shell wires using the Electron Beam Induced Current technique. The bias-dependant and acceleration voltage-dependant EBIC maps has been explained with a theoretical model based on equivalent circuits. This study leads me to suggest a new experimental method that can be used to map the nanowire core and shell resistivity.Les nitrures d’éléments III, à savoir GaN, InN, AlN et leurs alliages, forment une famille de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Leur intérêt réside en particulier dans leur bande interdite qui est directe et qui couvre une large bande spectrale de l’infrarouge (0,65eV pour InN) à l’ultraviolet (6,2eV pour AlN). En raison de l’absence de substrats accordés en maille avec ces matériaux, les couches minces hétéroépitaxiées de nitrure sont généralement touchées par des problèmes de qualité cristalline. Grâce au phénomène de relaxation des contraintes en surface, les nanofils offrent une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Ils combinent de nombreux autres avantages : en comparaison des couches minces, l’efficacité quantique interne des LEDs peut être améliorée (surface effective plus importante permettant de diminuer l’effet Auger à courant injecté identique, absence de champ de polarisation en utilisant les facettes non polaires des nanofils) et l’extraction des photons est facilitée par l’effet guide d’onde des nanofils. Cependant, une des difficultés est de parvenir à contrôler la synthèse de ces nano-objets pour garantir une homogénéité des propriétés structurales d’un fil à l’autre et au sein d’un même fil. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à étudier d’un point de vue expérimental et théorique l’impact des inhomogénéités structurales sur les propriétés optoélectroniques de dispositifs à nanofils de type LED. J’ai pu mettre en évidence et modéliser un effet de concentration du courant dans les régions riches en indium lorsque les courants injectés sont modérés. Pour de forts courants, le courant se concentre à proximité du contact sur la coquille dopée p. Théoriquement, j’ai montré que la dérive des porteurs de charge dans les puits quantiques et leur diffusion unipolaire et ambipolaire en présence d’un gradient de compositions des puits étaient négligeables. Par ailleurs, je me suis également intéressé à l’interprétation des caractéristiques courant-tension. A l’aide d’un modèle simple, j’ai également identifié la présence de courant de fuite par effet tunnel dans des structures présentant une densité importante de défaut. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis également intéressé à la caractérisation de nanofils à structure coeur-coquille par la technique de courant induit par faisceau d’électrons (Electron Beam Induced Current). La dépendance des cartographies EBIC en fonction de la tension appliquée et de l’énergie du faisceau incident a été modélisée. Ce travail m’a notamment amené à proposer une nouvelle méthode de caractérisation permettant de cartographier les résistivités du coeur et de la coquille des nanofils

Nanotechnology and Dental Implants

The long-term clinical success of dental implants is related to their early osseointegration. This paper reviews the different steps of the interactions between biological fluids, cells, tissues, and surfaces of implants. Immediately following implantation, implants are in contact with proteins and platelets from blood. The differentiation of mesenchymal stem cells will then condition the peri-implant tissue healing. Direct bone-to-implant contact is desired for a biomechanical anchoring of implants to bone rather than fibrous tissue encapsulation. Surfaces properties such as chemistry and roughness play a determinant role in these biological interactions. Physicochemical features in the nanometer range may ultimately control the adsorption of proteins as well as the adhesion and differentiation of cells. Nanotechnologies are increasingly used for surface modifications of dental implants. Another approach to enhance osseointegration is the application of thin calcium phosphate (CaP) coatings. Bioactive CaP nanocrystals deposited on titanium implants are resorbable and stimulate bone apposition and healing. Future nanometer-controlled surfaces may ultimately direct the nature of peri-implant tissues and improve their clinical success rate

Résonateurs à haut Q en mode d'extension 2D pour possibles applications temps-fréquence

International audienceThis paper presents recent advances on two dimensional length-extension mode (2D-LEM) quartz resonators providing high quality (Q) factor on resonances at a few MHz. The resonators have been collectively manufactured using one or two steps quartz deep reactive-ion etching (DRIE) processes. These resonators combine the intrinsic qualities of quartz in comparison to silicon (i.e. high Q factor, low temperature sensitivity and piezoelectricity) and the advantages of microelectromechanical systems (MEMS) resonators: small dimensions, low power consumption and collective processes. Samples vibrating at frequencies f of 2.2, 3 and 4.5 MHz have shown promising results with very high Q factor. Q factor as high as 180,000 for fundamental mode vibrating at 2.2 MHz and 89,000 for harmonic mode at 8.9 MHz were measured which lead to quality factor and resonance frequency products (Q·f) figure of merit near 10^12 Hz at the state of the art for 2D-LEM quartz resonators and the higher Q factor measured for DRIE made quartz resonators. Two designs, several dimensions and two processes have been investigated. Two main limiting damping mechanisms were identified and one of them is strongly linked to the technological limits of the etching process.Ce document présente les avancées récentes sur les résonateurs à quartz en mode d'extension bidimensionnelle de la longueur (2D-LEM) qui fournissent facteur de haute qualité (Q) sur les résonances à quelques MHz. Les résonateurs ont été fabriqués collectivement en utilisant un ou deux étapes des processus de gravure profonde par ions réactifs du quartz (DRIE). Ces résonateurs combinent les qualités intrinsèques du quartz dans par rapport au silicium (facteur Q élevé, faible sensibilité à la température et piézoélectricité) et les avantages de la microélectromécanique les résonateurs des systèmes MEMS : petites dimensions, faible consommation d'énergie et processus collectifs.Des échantillons vibrant à des fréquences f de 2,2, 3 et 4,5 MHz ont donné des résultats prometteurs avec un facteur Q très élevé. Le facteur Q comme jusqu'à 180 000 pour le mode fondamental vibrant à 2,2 MHz et 89 000 pour le mode harmonique à 8,9 MHz ont été mesurés qui conduisent à un facteur de qualité et à des produits de fréquence de résonance (Qxf) d'un mérite proche de 10^12 Hz à l'état de l'art pourLes résonateurs à quartz 2D-LEM et le facteur Q plus élevé mesuré pour le MEIR ont fait des résonateurs à quartz. Deux modèles, plusieurs et deux processus ont été étudiés. Deux principaux mécanismes d'amortissement limitatifs ont été identifiés et l'un des est fortement liée aux limites technologiques du processus de gravure

InGaN/GaN core/shell nanowires for visible to ultraviolet range photodetection

International audienceWe report on the fabrication and characterization of single nitride nanowire visible-to-ultraviolet p-n photodetec-tors. Nitride nanowires containing 30 InGaN/GaN radial quantum wells with 18% indium fraction were grown by catalyst-free metal-organic vapour phase epitaxy. Single nanowires were contacted using optical lithography. As expected for a radial p-n junction, the current-voltage (I-V) curves of single wire detectors show a rectifying behavior in the dark and a photocurrent under illumination. The detectors present a response in the visible to UV spectral range starting from 2.8 eV. The peak responsivity is 0.17 A/W at 3.36 eV. The on-off switching time under square light pulses is found to be below 0.1 sec

Probing structural and electronic properties of h-BN by HRTEM and STM

International audienceAfter the discovery of graphene and its consequences in the field of nanoscience and nanomaterials, there has been a growing interest in 2D materials and also their vertical stacking due to unique properties and potential applications.[1] For instance, it was shown the transport properties of exfoliated graphene supported by hexagonal boron nitride (h-BN) could approach the intrinsic graphene limits.[2] Nevertheless, studying the structural properties of 2D materials and 2D heterostructures is crucial to understand their physical and chemical properties. Our motivations have been to exploit state of the art aberration-corrected high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and scanning tunneling microscopy (STM) to study the structure and electronic properties of graphene (G), h-BN and G/h-BN heterostructures. HRTEM analyses were conducted with a JEOL ARM microscope equipped together with a cold FEG, an aberration corrector for the objective lens and a One view camera (Gatan). Notably, we used high-speed atomic-scale imaging to study with unprecedented dynamics (up to 25 fps) the nucleation and growth mechanisms of triangular holes in h-BN under beam irradiation (Figure 1). The direct observation of B and N atom sputtering and surface reconstruction processes allow understanding how the triangular shape and orientation of holes are maintained during the growth. Interestingly, by studying the effects of the electron dose and the number of BN layers, we demonstrate that these atomic-scale processes are simultaneously driven by kinetic and thermodynamic effects. Further works are in progress to study the stability of h-BN/G stacking under electron-beam irradiation. STM analyses were carried out with low temperature STM at 4 K, on 2D heterostructures that consist in a few layers of graphene doped with nitrogen on thick exfoliated flakes of BN deposited on SiO 2. Remarkably, we show that STM allows identifying and characterizing ionization defects within the BN flakes below the graphene layers (Figure 2). This study opens new avenues to probe the electronic interactions between this two stacked materials

Optoelectonics properties of InGaN/GaN core-shell nanowire LEDs

Les nitrures d’éléments III, à savoir GaN, InN, AlN et leurs alliages, forment une famille de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Leur intérêt réside en particulier dans leur bande interdite qui est directe et qui couvre une large bande spectrale de l’infrarouge (0,65eV pour InN) à l’ultraviolet (6,2eV pour AlN). En raison de l’absence de substrats accordés en maille avec ces matériaux, les couches minces hétéroépitaxiées de nitrure sont généralement touchées par des problèmes de qualité cristalline. Grâce au phénomène de relaxation des contraintes en surface, les nanofils offrent une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Ils combinent de nombreux autres avantages : en comparaison des couches minces, l’efficacité quantique interne des LEDs peut être améliorée (surface effective plus importante permettant de diminuer l’effet Auger à courant injecté identique, absence de champ de polarisation en utilisant les facettes non polaires des nanofils) et l’extraction des photons est facilitée par l’effet guide d’onde des nanofils. Cependant, une des difficultés est de parvenir à contrôler la synthèse de ces nano-objets pour garantir une homogénéité des propriétés structurales d’un fil à l’autre et au sein d’un même fil. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à étudier d’un point de vue expérimental et théorique l’impact des inhomogénéités structurales sur les propriétés optoélectroniques de dispositifs à nanofils de type LED. J’ai pu mettre en évidence et modéliser un effet de concentration du courant dans les régions riches en indium lorsque les courants injectés sont modérés. Pour de forts courants, le courant se concentre à proximité du contact sur la coquille dopée p. Théoriquement, j’ai montré que la dérive des porteurs de charge dans les puits quantiques et leur diffusion unipolaire et ambipolaire en présence d’un gradient de compositions des puits étaient négligeables. Par ailleurs, je me suis également intéressé à l’interprétation des caractéristiques courant-tension. A l’aide d’un modèle simple, j’ai également identifié la présence de courant de fuite par effet tunnel dans des structures présentant une densité importante de défaut. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis également intéressé à la caractérisation de nanofils à structure coeur-coquille par la technique de courant induit par faisceau d’électrons (Electron Beam Induced Current). La dépendance des cartographies EBIC en fonction de la tension appliquée et de l’énergie du faisceau incident a été modélisée. Ce travail m’a notamment amené à proposer une nouvelle méthode de caractérisation permettant de cartographier les résistivités du coeur et de la coquille des nanofils.III-nitrides i.e. GaN, InN, AlN and their alloys are semiconductors of choice to fabricate optoelectronic devices such as Light Emitting Diodes (LEDs). One of their most interesting features relies in their direct band gap that covers a very wide spectral range, from infrared (0.65 eV for InN) to UV (6.2 eV for AlN). However, the lack of lattice-matched substrate has been responsible for strong crystalline quality issues in heteroepitaxial thin films. Thanks to stress relaxation at their surface, nanowires provide a smart solution to this problem. Besides, they have a few more assets. In comparison to thin films, nanowires can improve the internal quantum efficiency of LEDs because of their higher effective surface that leads to lowered current densities and thus mitigated Auger effect. The internal quantum efficiency also benefits from the possibility to grow the active region on non polar facets, thus getting rid of the detrimental high internal polarization-induced electric field in quantum wells. Furthermore, the photon extraction efficiency is enhanced by the guiding effect of nanowires. However, despite all this promising advantages, one of the main challenges remains the control of structural homogeneity from wire to wire but also inside single wires.In this context, my work has consisted into studying from an experimental and theoretical point of view the consequences of these structural inhomogeneities on the optoelectronic properties of nanowire based LED devices. I have shown that the current tends to gather into indium-rich regions for moderate bias. At higher bias, the dominant current path though the junction is generally located under the p-contact on the nanowire shell. I have theoretically demonstrated that the unipolar and ambipolar diffusion of carriers as well as their drift induced by a composition gradient inside the quantum wells is not significant in the devices I have studied. Moreover, I took also an interest in the detailed analyze of I-V curves. Thanks to a simple model, I have identified the presence of leakage current related to defect- and phonon-assisted tunneling effect. In the second part of my work, I have focused onto the characterization of core-shell wires using the Electron Beam Induced Current technique. The bias-dependant and acceleration voltage-dependant EBIC maps has been explained with a theoretical model based on equivalent circuits. This study leads me to suggest a new experimental method that can be used to map the nanowire core and shell resistivity

Résonateur à quartz en mode extension de longueur Q 2D élevé pour applications potentielles temps-fréquence

International audienceIn this paper, high quality factor two dimensional length-extension mode (2D-LEM) quartz resonator showing promising performances for Time & Frequency (T&F) applications are reported. They combine the intrinsic qualities of quartz (high Q, low temperature sensitivity and piezoelectricity) and the advantages of silicon resonators: small dimensions, low power consumption and collective processes. Several processes have been investigated as well as several sizes and designs of resonators. A high quality factor (Q), exceeding 200 000, two dimensional length-extension mode (2D-LEM) quartz resonator vibrating at 2.2 and 3 MHz.Cet article présente un résonateur plan en quartz vibrant dans un mode d'extensions-compression de longueur pour potentielles applications dans le domaine du temps-fréquence. Ce résonateur combine les qualités intrinsèques du quartz telles: un facteur de qualité élevé, une faible sensibilité à la température et l'actionnement linéaire ainsi que les avantages des procédés de fabrication des résonateurs en silicium: des dimensions réduites, une consommation réduite et des procédés collectifs. Plusieurs procédés de fabrications ont été étudiés ainsi que plusieurs conceptions et tailles de dispositifs. Un très haut facteur de qualité dépassant les 200 000 pour des résonateurs vibrant à 2.2 et 3 MHz a pu être ainsi obtenu