Etude du bord de bande par μPL et μR

Pour l'étude et la détermination des transitions du bord de bande, une corrélation entre les spectres de μPL et de μR a été réalisée. Leur évolution a également été étudiée en température.

La superposition des spectres de μPL et de μR est donnée pour deux microfils distincts étudiés à deux températures de manipulation différentes. Autrement dit, un premier microfil a été étudié par le biais des deux méthodes à 77 K comme l'indique la Figure 2.24 et un second microfil a été étudié par le biais des deux méthodes à 4 K comme l'indique la Figure 2.25.

Le signal de réflectivité est relativement faible et bruité ; c'est probablement dû au fait que les microfils possèdent une terminaison irrégulière qui diffuse la lumière. Néanmoins, grâce aux signaux de PL, il est possible de pointer dans les deux cas les énergies des excitons A et B. Ces derniers sont situés aux énergies respectives, à l'état n = 1, de 3,478 et 3,484 eV à basse température (4 K). Le matériau n'est donc pas contraint si l'on se réfère aux études décrites précédemment (cf. paragraphe 2.2.4.2) : le microfil relaxerait efficacement les contraintes. Le fait que l'exciton C n'est pas visible respecte les règles de sélection et de thermalisation.

Les spectres de PL montrent les transitions des excitons liés aux donneurs neutres. A 4 K, deux types de transitions impliquant des excitons dont le trou provient de la bande de valence A et liés aux donneurs (଴_

୅), oxygène ou silicium, sont facilement reconnaissables [49], [50]. L'énergie de la transition due à l'oxygène est notée ଴_

୅ሺሻ et se trouve à 3,470 eV tandis que celle due au silicium est notée ଴_

୅ሺ‹ሻ et se trouve à 3,472 eV. L'espacement en énergie des deux donneurs est cohérente avec leur écart en énergie d'ionisation (_ୈ). En effet, en appliquant le modèle hydrogénoïde sur les donneurs neutres, ces dernières sont déduites à partir de la transition 1s - 2s et sont de 32,1 meV pour l'oxygène (ୈሺሻ) et de 30 meV pour le silicium (ୈሺ‹ሻ), soit un écart de 2 meV entre les deux énergies [48]. Une autre transition impliquant cette fois-ci des excitons dont le trou provient de la bande de valence B et liés aux donneurs ሺ଴_

୆ሻ, est peut-être détectée à 3,476 eV. Enfin, à 77 K, la transition due aux excitons liés aux donneurs serait principalement due à la transition ଴_

୅ሺ‹ሻ du spectre à 4 K. En effet, il existe un décalage en énergie de 4 meV pour les excitons entre les deux températures qui est censé être le même pour les transitions des excitons liés aux donneurs étant donné que ces recombinaisons ne dépendent pas de l'énergie thermique. Le spectre de PL réalisé à 4 K montre aussi les transitions des excitons liés aux accepteurs neutres (଴_{). En effet, en diminuant la température, l'agitation thermique est moindre et les excitons liés} aux impuretés seront plus visibles qu'à 77 K, au détriment des excitons libres. Deux contributions d'excitons liés aux accepteurs ont alors été repérées [49], [51] : la transition ଴_{ሺͳሻ qui se situent aux} alentours de 3,457 eV et la transition ଴_{ሺʹሻ qui se situe aux alentours de 3,466 eV. D'après} Monemar et al. [51], l'accepteur ଴_{ሺʹሻ serait associé à un dopage au magnésium. Nous noterons que} dans notre cas, aucun dopage p n'a été réalisé mais il est possible que le silicium, considéré comme amphotère, puisse être à l'origine de cette raie. Ce même accepteur pourrait alors être perturbé par des défauts d'empilement selon l'axe c pour donner la transition ଴ሺͳሻ [52].

2.3 Etude de microfils de GaN à terminaison irrégulière

Figure 2.24 - Spectres de micro-photoluminescence et de micro-réflectivité d'un unique microfil de GaN de l'échantillon 1 réalisés à 77 K au niveau du bord de bande.

Les transitions excitoniques mises en évidence indiquent que le matériau est très peu contraint.

Figure 2.25 - Spectres de micro-photoluminescence et de micro-réflectivité d'un unique microfil de GaN de l'échantillon 1 réalisés à 4 K au niveau du bord de bande.

D'après le spectre réalisé à 4 K, en considérant les écarts entre les excitons liés aux impuretés et les excitons libres, il est possible d'extraire les énergies de localisation des excitons sur les accepteurs (_୅ଡ଼) et sur les donneurs (_ୈଡ଼). L'énergie de ଴_

୅ est estimée entre 6 et 8 meV tandis que celle de ଴_{ est estimée à 12 meV si l'on considère que l'exciton est }

୅et à 18 meV si l'on considère que l'exciton est ୆.

Comme l'indique la Figure 2.26, l'évolution en température des transitions du bord de bande a été observée. Les transitions liées aux impuretés prédominent fortement à basse température. Lorsque la température augmente, les transitions ଴_{ et }଴_

୅ sont moins visibles contrairement à la transition ୅. Ceci est tout à fait normal puisque l'énergie de localisation des excitons sur les impuretés est plus faible que l'énergie de liaison des excitons libres. Par exemple à 77 K, l'énergie de localisation de l'exciton sur le donneur neutre est de l'ordre de _୆ = 6,6 meV ; les excitons liés aux donneurs commencent à se délocaliser et la transition ୅sera alors plus visible.

Par contre, il semble que la transition ଴_{ disparaisse avant la transition }଴_

୅. Sachant que l'énergie de localisation de l'exciton sur l'accepteur est plus forte que l'énergie de localisation de l'exciton sur le donneur comme nous venons de le voir, c'est le phénomène inverse qui devrait être observé. En réalité, il faut tenir compte du donneur neutre. Si l'on considère les équations 2.6 et 2.9, pour une énergie d'ionisation du donneur de 30 à 32 meV, un Rydberg de 25 meV et une énergie de localisation de l'exciton sur le donneur de 6 à 8 meV, la recombinaison଴_{Š se situe environ aux} mêmes énergies que la transition ଴_

୅ à un facteur thermique prêt. C'est donc cette transition qui persisterait à la place de la transition associée D°X.

Figure 2.26 - Spectres de micro-photoluminescence d'un microfil de GaN de l'échantillon 1 enregistrés à différentes températures.

Lorsque la température augmente, les transitions excitoniques associées aux impuretés neutres

2.3 Etude de microfils de GaN à terminaison irrégulière