Phonons in III-nitride thinfilms, bulk and nanowires: a closer look into InN vibrational properties

Abstract

This thesis is devoted to the study of the interactions of phonons in indium nitride (InN) and materials of the (In,Ga)N system with wurtzite structure. For this purpose, we present Raman spectroscopy on nanowires (NWs), thin films and bulk samples, in order to adress phonon interactions in these materials. We also present Brillouin spectrsocopy measurements of InN thin films, from which a reliable set of elastic constants is proposed.

We have studied the phonon anharmonic interactions and phonon decay channels of InN, both in thin films and NWs. The temperature dependence of Raman peak width of all the phonon modes has been studied using a model that considers the contribution of three- and four-phonon processes, taking into account the phonon density of states obtained by ab-initio calculations. In InN thin films, we find that the E2h phonon mode mainly decays through 4-phonon processes, whereas the extremely narrow E2l mode can decay only through up-conversion processes. The LO and the TO modes are found to decay through 3-phonon and 4-phonon interactions. In InN NWs we found the same phonon decay channels but phonon linewidths are significantly reduced, indicating a higher crystalline quality. The lifetimes of the phonon modes are derived from the measured phonon linewidths. The long-lived E2l phonon exhibits the largest lifetime, which is mainly limited by impurity scattering. We also study the anharmonic decay of high-frequency LVMs H complexes in Mg-doped InN, which can be explained by considering dephasing due to quasi-elastic acoustic phonon scattering.

We have discussed the relevant electronic resonances that affect Raman scattering in the (In,Ga)N system. We show that the optical excitation of the longitudinal optical modes in InN occurs via the Martin's double resonance both in InN layers and nanostructures, even though the defect density of the latter is significantly lower. By performing wavelength-dependent measurements on InN thin films and NWs, the A1(LO) and the E1(LO) wave-vector dispersion close to zone-center have been obtained. We have also studied the impurity-mediated cascade mechanism of multiphonons in InGaN layers. To ascertain the role of the impurities we have studied as-grown samples in comparison with He+-implanted InGaN layers. UV Raman-scattering measurements allow us to measure up to fifth order multiphonon scattering due to cascade mechanism. Relative multiphonon intensities depend on the indium concentration and implantation dose.

Finally, we have studied the LO-Phonon-Plasmon Coupled Modes (LOPCMs) in InN and GaN using the Lindhard-Mermin model. We have determined the electron density in undoped, Si-doped and Mg-doped NWs. We have also studied a bulk, ammonothermally-grown Si-doped GaN sample. No evidence of LOPCMs was detected in the Ga-polar face, probably due to the higher defect density existing in this sample sector. We have detected both branches of the LOPCMs in the N-polar face, and we have made a study of the distribution of the free charge density by means of confocal micro-Raman measurements.

Aquesta tesi està dedicada a l’estudi de les interaccions dels fonons en nitrur d'indi (InN) i en semiconductors del sistema (In.Ga)N amb estructura wurtzita. Amb aquest objectiu es presenten estudis d'espectroscòpia Raman en capes primes, nanofils (NWs), i mostres bulk, que han permès abordar de manera global les interaccions dels fonons en aquests materials.

Hem estudiat les interaccions anharmòniques i els canals de decaïment dels fonons de InN, tant en capes primes com en NWs. La dependència de l’amplada del pic Raman amb la temperatura de tots els modes fonònics s’ha estudiat utilitzant un model anharmònic que considera la contribució dels processos de tres i quatre fonons, i tenint en compte la densitat d'estats de fonons obtinguda mitjançant càlculs ab-initio. L'anàlisi dels temps de vida fonònics i de la dependència amb temperatura de les freqüències permet afirmar que els NWs tenen una estructura més relaxada que les capes primes. També hem estudiat el decaïment anharmònic de modes locals de vibració corresponents a complexos d'H en InN fortament dopat amb Mg.

Hem estudiat les ressonàncies en el sistema (In,Ga)N i la influència de la densitat d’impureses en l’eficiència dels mecanismes ressonants. Hem demostrat que la dispersió Raman de modes òptics longitudinals en el InN es produeix a través de la doble ressonància del Martin tant en capes primer com en nanoestructures, tot i que la densitat de defectes d'aquestes últimes és significativament menor. Hem estudiat també el mecanisme de cascada mediat per impureses, a través del qual es produeix la dispersió de multifonons, en capes primes de InGaN amb diferent composició i diferent grau d’implantació d'ions d'He, i hem comprovat que les intensitats relatives dels multifonons depenen de la concentració d’indi i de la dosi de la implantació.

Finalment, hem estudiat l’acoblament de fonons polars amb els plasmons mitjançant el model dielèctric de Lindhard-Mermin, amb la finalitat d’investigar la densitat d’electrons lliures utilitzant espectroscòpia Raman. Hem determinat la concentració d'electrons en NWs de InN sense dopar, dopats amb Si i dopats amb Mg. També hem fet un estudi de la distribució de la densitat de càrrega en una mostra de GaN ammonotermal mitjançant mesures de micro-Raman confocal.