Les Semi-conducteurs nitrures

Les Semi-conducteurs nitrures 

Ces dernières années, la recherche sur les matériaux III-N de structure wurtzite a acquis une position significative dans la science et la technologie des semi conducteurs en raison d’un grand nombre d’applications. Dans ce chapitre, nous décrivons les propriétés physiques qui ont amenés les deux principales applications que sont l’optoélectronique pour les diodes électroluminescentes et les diodes lasers et la microélectronique qui utilise les transistors hyperfréquences et de puissance.

Propriétés

Les semi-conducteurs (Al, Ga, In)N cristallisent principalement dans la structure wurtzite où chaque atome est disposé au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par des atomes de l’autre espèce . En raison de cette forte liaison chimique, les semi-conducteurs III-N ont un point de fusion élevé, une forte résistance mécanique et une grande stabilité chimique. Ces matériaux possèdent également une bonne conductivité thermique . Ces caractéristiques permettent aux semi-conducteurs III-N d’être candidats pour la réalisation de dispositifs photoniques et électronique fonctionnant en haute puissance et haute température.

Structure de bande

Les composés (Ga, Al, In) N et leurs alliages ont une largeur de bande interdite directe qui varie entre 0,67 eV et 6,2 eV ,  ils peuvent dont émettre de l’UV lointain au proche infrarouge . Bien que ces matériaux aient été étudiés depuis le début du 20e siècle, le développement des applications n’a pu aboutir qu’à la fin des années 1980 avec la résolution de deux principaux obstacles qui avaient jusque-là constitué des verrous. En effet en 1986, l’équipe de l’université de Meijo à Nagoya [10] a démontré que l’utilisation de couches tampons déposées à basse température conduisait à une amélioration considérable de la qualité cristalline des couches actives épitaxiées ensuite à plus haute température. Aussi décisif, la même équipe a réalisé le dopage p de ces composés en utilisant du Mg [11]. Cette  très nette amélioration de la qualité des matériaux a permis à Nakamura de la société Nichia de mettre au point les premières diodes électroluminescentes émettant dans le proche UV à base de puits quantiques InGaN/GaN [12]. Ainsi, au cours des 20 dernières années ce domaine a été sujet d’un développement considérable au niveau mondial jusqu’à placer les nitrures au deuxième rang des applications de matériaux semi-conducteurs après le silicium (Si) avec des applications qui vont actuellement des affichages à l’éclairage public.

Les Pseudo-potentiels

Pour résoudre les équations de Khon-Sham, il faut choisir une base de fonctions d’onde pour les électrons et les potentiels qui régissent leurs mouvements et interaction. En pratique, le potentiel atomique est remplacé par un pseudo-potentiel. Ainsi l’interaction coulombien du noyau et les effets des électrons de cœur fortement liés, sont-ils remplacés par un potentiel effectif agissant uniquement sur les électrons de valence . Cette approximation constitue un gain appréciable sur les ressources informatiques nécessaires aux calculs.

Dans cette optique, Blöchl en 1994 [36] a proposé la méthode des ondes projetées augmentées (PAW) en combinant le principe des méthodes à base de pseudo potentiels d’une part et à base d’onde plane augmentée linéarisée (linear augmented plane wave – LAPW) d’autre part. Cette méthode permet de générer des pseudo-potentiels ultra-doux (USPP) pour lesquels la grille pour reconstituer la fonction d’onde autour de chaque atome est radiale [37]. Elle est très efficace du fait que la fonction d’onde de valence reconstruite par les pseudopotentiels PAW est exacte, avec tous les nœuds dans la région de cœur et ceci pour de faibles rayons de coupure.

Code VASP (Vienna ab-initio simulation package) 

Le code de calcul VASP développé à l’Université de Vienne par G. Kresse, J. Furthmüller et J. Hafner [37], [39], [40] est réputé pour sa bonne parallélisation ce qui autorise le calcul pour des systèmes de plus d’une centaine d’atomes. Il est basé sur un formalisme d’ondes planes adapté aux calculs périodiques et présente l’avantage d’être facilement mis en œuvre avec des calculs utilisant les USPP de Vanderbilt [41] et ceux de PAW [37], qui sont fournie dans la bibliothèque. La grille de points k dans VASP est généré par la méthode de Monkhorst et Pack [38]. Les forces agissant sur les ions sont calculées par le théorème de Hellmann-Feynman [42] comme les dérivées de l’énergie libre par rapport aux positions atomiques.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Les Semi-conducteurs nitrures
1.1 Propriétés
1.2 Structure de bande
1.3 Effets de polarisation dans la structure Wurtzite
1.4 Gaz d’électrons à deux dimensions (2DEG – 2 dimensional electron gas)
1.5 Croissance des alliages InAlN et InAlGaN
Chapitre 2 Méthodes de simulation
2.1 Méthodes ab-initio
2.1.1 Approximations de la fonctionnelle d’échange-corrélation
2.1.1.1 Approximation de la densité locale (LDA)
2.1.1.2 Approximation du gradient généralisé (GGA)
2.1.1.3 Fonctionnelle Hybride HSE – Heyd Scuseria Ernzerhof
2.1.2 Les Pseudo-potentiels
2.1.3 Intégration dans la zone Brillouin
2.1.4 Code VASP (Vienna ab-initio simulation package)
2.1.5 La fonction de localisation électronique
2.2 Méthodes de dynamiques moléculaires avec potentiels empiriques
2.2.1 Le potentiel Tersoff
2.2.2 Le potentiel Stillinger-Weber (SW)
2.3 Conclusion
Chapitre 3 Comportement thermodynamique des alliages III-N
3.1 Procédures
3.2 Le paramètre d’interaction
3.3 Diagramme de phase
3.3.1 Les alliages ternaires
3.3.2 L’alliage quaternaire (InAlGaN)
3.3.2.1 Description énergétique d’un système quaternaire
3.3.2.2 La représentation du diagramme de phase
3.4 Les propriétés
3.4.1 Longueurs de liaison
3.4.2 Angles entre les liaisons
3.3.2 Diagramme de phase sous contrainte
3.6 Formation de cluster d’In-N
3.6.1 Stabilité énergétique
3.6.2 Déformation locale
3.6.3 Structure électronique
3.6.3.1 Procédure
3.6.3.2 AlN pur et In0.17Al0.83N aléatoire
3.6.3.3 Cluster In-N dans InAlN
3.7 Discussion et conclusion
Chapitre 4 Défauts et relaxation des contraintes dans les couches InAlN
4.1 Introduction
4.2 La lacune d’azote et l’indium dans l’alliage In0.18Al0.82N
4.2.1 Démarche de modélisation
4.2.2 Stabilité
4.2.3 Longueurs de liaison In-N dans la zone de cluster InN
4.2.4 Cluster sous contrainte
4.2.5 Environnement et taille du cluster
4.2.6 Structure électronique
4.2.6.1 Lacune d’azote
4.2.6.2 Distribution des électrons sur les sites atomiques (ELF)
4.3 Dislocations traversantes et les atomes In dans l’alliage InAlN
4.3.1 Procédure de simulation
4.3.3 Dislocation coin
5.3.2 Dislocation vis
5.3.3 Dislocation mixte
4.4 Discussion et conclusion
Conclusion
Références
Résumé

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