Propriétés des semiconducteurs III-V

Les propriétés structurales et physicochimiques sont décrites pour le groupe des semiconducteurs III-V. Premièrement, la structure cristallographique est présentée suivie des propriétés de polarisations spontanées et l’effet piézoélectrique. Par la suite, les hétérostructures sous forme de puits quantiques et les propriétés de photoluminescence induites sont présentées.

Structure cristallographique

Les composés III-N (AlN, GaN, InN) et leurs alliages cristallisent principalement dans la structure hexagonale de type Wurtzite ayant pour groupe ?6₃mc .

Défauts de structure dans les composés III-N 

Les matériaux cristallins de type III-N peuvent présenter comme tout type de matériaux connus des défauts ponctuels, linéaires ou plans [27]. L’efficacité d’émission de ces matériaux dépend beaucoup de la densité de ces défauts et il est nécessaire d’étudier ces défauts pour comprendre leurs mécanismes de formation afin d’améliorer les performances des dispositifs.

Défauts ponctuels 

Un cristal n’étant jamais parfait, certains sites peuvent être occupés par des impuretés ou être simplement inoccupés. Ainsi, lorsqu’un atome occupe un site entre des atomes réguliers de la structure, il constitue une « impureté interstitielle». Les « impuretés lacunaires » sont des sites réguliers inoccupés. Le dernier défaut ponctuel possible est celui d’un défaut substitutionnel formé d’un atome étranger qui remplace un atome régulier. Les impuretés substitutionnelles peuvent être introduites dans le cristal de façon intentionnelle (dopage) ou fortuite (contaminations). La substitution par le dopage contrôlé est importante dans la réalisation de jonction p-n pour les composés électroniques. L’obtention d’une jonction p-n dans le GaN s’obtient par un dopage au Magnésium pour le type p et par un dopage au Silicium pour le type n [28].

Dislocations

Une dislocation est un défaut linéaire dans le cristal correspondant à une discontinuité très localisée dans la structure cristalline, elle est caractérisée par la direction de sa ligne u et une déformation locale quantifiée par un vecteur fini b appelé « vecteur de Burger ». La norme de ce vecteur correspond au déplacement maximum mesurable et constant tout le long de la ligne de dislocation. Lorsque ce vecteur de Burger correspond à une combinaison linéaire de vecteurs du réseau, la dislocation est dite parfaite. La dislocation est dite partielle, lorsque le déplacement est une fraction bien définie d’un vecteur du réseau qui permet de rejoindre un site pouvant être occupé par des atomes du réseau particulier du matériau .

Défauts plans

Les défauts sont formés lorsque la périodicité cristalline est interrompue ou changée dans un plan bien défini par un déplacement ou une autre opération de symétrie qui n’appartient pas au groupe spatial de la structure Wurtzite. Les fautes d’empilement Stacking Faults = SFs et les domaines d’inversion Inversion Domains = IDs) sont les défauts plans les plus courants. Dans ces deux types de défauts, l’opération de symétrie rompue (translation ou inversion) entraine la formation de domaines qui doivent être fermés avec des frontières constituées de plans réticulaires précis.

Domaines d’inversion
Lors de la croissance des films minces, la structure peut être formée par des grains ou des colonnes qui peuvent être désorientés les uns par rapport aux autres et ainsi former des frontières entre eux appelées « joints de grain ». Les deux côtés d’une frontière peuvent être liés par différentes opérations de symétrie telles que la rotation, l’inversion ou un miroir [30]. Dans les matériaux de type Wurtzite, il arrive parfois que deux côtés du cristal se rejoignent et soient reliés par une opération d’inversion pure ou combinée à une translation formant ainsi des domaines d’inversion. Plusieurs études ont déjà été réalisées sur les domaines d’inversion dans le GaN, nous pouvons citer comme exemple : Sanchez et al. [31] qui ont observé des domaines dǯinversion dǯenviron ʹͷ nm délimités par les plans (10-10) dans la direction de croissance [0001] lors de la croissance du GaN sur substrat de Silicium.

Fautes d’empilement
Les fautes d’empilement sont des défauts plans dont la partie déplacée occupe des sites d’un empilement cubique dans la structure Wurtzite.

Techniques expérimentales

Les techniques de dépôt par épitaxie de molécules organométalliques en phase vapeur (MOVPE) des films minces et de caractérisation seront présentées. Les caractérisations de surface et optique des films minces ont été réalisées respectivement par la méthode de la microscopie à force atomique (AFM) et l’émission des échantillons par photoluminescence (PL). La diffraction des rayons X (XRD) a permis de déterminer les paramètres de maille et d’accéder aux taux de relaxation des couches minces. La préparation des échantillons par polissage mécanique et par faisceau d’ions convergent (FIB) pour la microscopie électronique en transmission (TEM) sera discutée. Enfin, la microscopie électronique en transmission sera présentée avec les méthodes insitu utilisées tels que le champ clair, le champ sombre ou encore l’analyse dispersive en énergie des rayons X(EDX) .

Technique de croissance par MOVPE

La croissance des hétérostructures étudiées durant ce travail a été réalisée au CRHEA par MOVPE. Cette croissance se fait dans un réacteur à parois froides et seul le substrat est maintenu à la température de croissance des différentes couches. Des précurseurs sont introduits séparément dans le réacteur pour éviter des réactions organiques parallèles grâce à des flux de gaz de poussée tels que N2 ou H2.

Les différentes sources des éléments III sont de type organique permettant une grande pureté de croissance des matériaux et ils arrivent séparément par diverses entrées . La molécule de triméthylgallium (TMGa) est utilisée comme source de Gallium, le triméthylaluminium ȋTMAl pour l’Aluminium et le triméthylindium ȋTMIn comme source d’Indium. La source d’azote est obtenue via l’utilisation d’ammoniac NH3. La pyrolyse des molécules organiques qui sont les sources des éléments III et de l’ammoniac NH3 à la surface du substrat permet la décomposition de ces molécules en espèces actives participant à la croissance des éléments III-N. La croissance est suivie grâce à un faisceau laser et la température du substrat est régulée par chauffage du porte substrat. Les paramètres associés aux gaz vecteurs tels que le flux ou la composition ont une grande influence sur la morphologie et les concentrations des éléments dans les alliages durant la croissance des hétérostructures [9].

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I. PROPRIÉTÉS DES SEMICONDUCTEURS III-V
1. STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE
2. CHAMP ÉLECTRIQUE INTERNE
I. Polarisation spontanée
II. Polarisation piézoélectrique
3. PROPRIÉTÉS DES PUITS QUANTIQUES
4. DÉFAUTS DE STRUCTURE DANS LES COMPOSÉS III-N
I. Défauts ponctuels
II. Dislocations
III. Défauts plans
CHAPITRE II. TECHNIQUES EXPERIMENTALES
1. TECHNIQUE DE CROISSANCE PAR MOVPE
2. PHOTOLUMINESCENCE (PL)
3. MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM)
4. DIFFRACTION DES RAYONS X (XRD)
I. Conditions de Laue et réseau réciproque
II. Type de scans et cartographie du noeud du réseau réciproque
5. PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS POUR LA MICROSCOPIE
I. Préparation conventionnelle
II. Préparation par FIB
6. MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE EN TRANSMISSION (TEM)
I. Type de microscopes
II. Imagerie
7. EVALUATION DE LA COMPOSITION PAR LE CONTRASTE D’IMAGE
CHAPITRE III. COMPOSITION EN INDIUM DANS LES PUITS QUANTIQUES INGAN/GAN
1. INTRODUCTION
2. CARACTÉRISATION PAR STEM-HAADF
3. LIMITATIONS DANS LA DÉTERMINATION DE LA COMPOSITION
4. CORRÉLATION ENTRE LA PHOTOLUMINESCENCE ET LA COMPOSITION EN INDIUM CALCULÉE DANS LES PUITS QUANTIQUES INGAN/GAN
5. RÉSUMÉ
CHAPITRE IV. DEFAUTS DANS LES PUITS QUANTIQUES INGAN/GAN
I. DEFAUTS EXTRINSEQUES
1. INTRODUCTION
2. ECHANTILLONS
3. OBSERVATIONS MEB ET TEM
4. RÉSUMÉ
II. DEFAUTS INTRINSEQUES
1. INTRODUCTION
2. ECHANTILLONS
3. PHOTOLUMINESCENCE
4. MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE
5. MICROSOCOPIE ÉLECTRONIQUE EN TRANSMISSION
6. RÉSUMÉ
CHAPITRE V. COUCHES ALGAN COMPENSATRICES DE CONTRAINTE
1. INTRODUCTION
2. ECHANTILLONS
3. PHOTOLUMINESCENCE
4. MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE
5. DIFFRACTION DES RAYONS X EN HAUTE RÉSOLUTION
6. MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE EN TRANSMISSION
7. RÉSUMÉ
CONCLUSION
RÉFÉRENCES

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