High conductivity in Si-doped GaN wires

4 pagesInternational audienceTemperature-dependent resistivity measurements have been performed on single Si-doped GaN microwires grown by catalyst-free metal-organic vapour phase epitaxy. Metal-like conduction is observed from four-probe measurements without any temperature dependence between 10 K and 300 K. Radius-dependent resistivity measurements yield resistivity values as low as 0.37 mohm.cm. This is in agreement with the full width at half maximum (170 meV) of the near band edge luminescence obtained from low temperature cathodoluminescence study. Higher dopant incorporation during wire growth as compared to conventional epitaxial planar case is suggested to beresponsiblefortheuniqueconductivity

Thermoelectric and micro-Raman measurements of carrier density and mobility in heavily Si-doped GaN wires

International audienceCombined thermoelectric-resistivity measurements and micro-Raman experiments have been performed on single heavily Si-doped GaN wires. In both approaches, similar carrier concentration and mobility were determined taking into account the non-parabolicity of the conduction band. The unique high conductivity of Si-doped GaN wires is explained by a mobility µ=56 cm2 /V s at a carrier concentration n = 2.6 10^20 /cm 3. This is attributed to a more efficient dopant incorporation in Si-doped GaN microwires as compared to Si-doped GaN planar layers. (c) 2013 AIP Publishing LLC

Phonon-plasmon coupling in Si doped GaN nanowires

The vibrational properties of silicon doped GaN nanowires with diameters comprised between 40 and 100 nm are studied by Raman spectroscopy through excitation with two different wavelengths: 532 and 405 nm. Excitation at 532 nm does not allow the observation of the coupled phonon-plasmon upper mode for the intentionally doped samples. Yet, excitation at 405 nm results in the appearance of a narrow peak at frequencies close to that of the uncoupled A1(LO) mode for all samples. This behavior points to phonon-plasmon scattering mediated by large phonon wave-vector in these thin and highly doped nanowires

Electrical, optical, and electro-optical properties of GaN microwires for the fabrication of LEDs

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

Propriétés électriques, optiques et électro-optiques de microfils GaN pour la réalisation de LEDs

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 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

Propriétés électriques, optiques et électro-optiques de microfils GaN pour la réalisation de LEDs

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 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

Direct Imaging of p-n Junction in Core-Shell GaN Wires

International audienceWhile core-shell wire-based devices offer a promising path toward improved optoelectronic applications, their development is hampered by the present uncertainty about essential semiconductor properties along the three-dimensional (3D) buried p-n junction. Thanks to a cross-sectional approach, scanning electron beam probing techniques were employed here to obtain a nanoscale spatially resolved analysis of GaN core-shell wire p-n junctions grown by catalyst-free metal-organic vapor phase epitaxy on GaN and Si substrates. Both electron beam induced current (EBIC) and secondary electron voltage constrast (VC) were demonstrated to delineate the radial and axial junction existing in the 3D structure. The Mg dopant activation process in p-GaN shell was dynamically controlled by the ebeam exposure conditions and visualized thanks to EBIC mapping. EBIC measurements were shown to yield local minority carrier/exciton diffusion lengths on the p-side (57 nm) and the n-side (15 nm) as well as depletion width in the range 40-50 nm. Under reverse bias conditions, VC imaging provided electrostatic potential maps in the vicinity of the 3D junction from which acceptor Na and donor Nd doping levels were locally determined to be Na = 3 × 1018 cm-3 and Nd = 3.5 × 1018 cm-3 in both the axial and the radial junction. Results from EBIC and VC are in good agreement. This nanoscale approach provides essential guidance to the further development of core-shell wire devices