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Propriétés électroniques et optiques d’un semi-conducteur III-As
Semi-conducteurs III-As
Les matériaux III-V rassemblent un ou plusieurs éléments de la colonne III du tableau périodique avec un ou plusieurs éléments de la colonne V. Les plus répandus dans l’industrie sont le GaN (ex : LEDs [1], électronique de puissance [2]), le GaAs (ex : composants hyperfréquences [3]) et l’InP (ex : laser [4],[5]). Les semi-conducteurs III-V comme le GaAs, l’InAs et l’InP présentent une haute mobilité de porteurs ainsi qu’un gap direct faisant d’eux d’excellents candidats pour des applications électroniques et photoniques.
Structure cristalline
Les semi-conducteurs de la famille des arséniures telles que le GaAs, l’InAs et l’AlAs (et leurs alliages) cristallisent à l’état massif sous la forme zinc-blende. Cette structure peut être vue comme étant composées de deux mailles cubiques à face centrées décalées d’un vecteur (1/4 ;1/4 ;1/4), formant deux sous réseaux occupé l’un par des atomes de type III et l’autre par des atomes de type V.
Structure de bande
Les semi-conducteurs sont composés d’électrons et de trous qui remplissent chacun une bande séparée par un gap d’énergie noté Eg . L’électron est une particule élémentaire chargée négativement. Le trou d’électron appelé trou est une quasi-particule qui peut être vue comme étant l’absence d’un électron, par conséquent il est chargé positivement.
A Un électron dans le vide à la position r [11],[12] et loin de tout potentiel électromagnétique est associé la fonction d’onde : ? = ??(??−??) ( 2 )
Un semi-conducteur est composé d’une bande de conduction et d’une bande de valence. Le champ cristallin induit par l’hybridation des orbitales des atomes et l’interaction spin-orbite des semiconducteurs III-As créent de multiples bandes pouvant être dégénérées en ? = 0 (noté ?). Alors que la bande de valence est remplie par des électrons. Elle est composée de trois bandes, deux bandes avec un même maximum en ? mais avec des rayons de courbure différents appelées bandes de trou lourd (HH : heavy hole) et de trou léger (LH : light hole), et une bande de spin-orbite.
Il existe un grand nombre de semi-conducteurs classés par groupe (IV-IV ; III-V ; II-VI) suivant les colonnes du tableau périodique des éléments qui les composent. Leurs énergies de bande interdite couvrent les gammes de l’UV, du visible et le l’IR (cf. Figure 5). Il existe deux types de gap : direct et indirect. Un semi-conducteur est dit à gap direct quand le minimum de sa bande de conduction coïncide avec le maximum de sa bande de valence situé en gamma ? (? = 0) (cf. Figure 4 (a)). Toutefois si le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence ne coïncident pas, on le qualifie de gap indirect (cf. Figure 4 (b)). Les matériaux à gap direct ont une transition bande à bande entre électron trou pour un même vecteur k rendant favorable la probabilité de recombinaisons radiatives. En revanche, les matériaux à gap indirect (ex : Si, Ge, AlAs,…) nécessitent une interaction assistée par phonon pour avoir une transition bande à bande. Ce type de recombinaison est peu probable et rend les recombinaisons radiatives négligeables par rapport aux recombinaisons non-radiatives.
Le silicium est exploité à grande échelle dans le domaine de la microélectronique grâce à son faible coût, ses propriétés chimiques, sa stabilité et celle de son oxyde et ses propriétés électroniques. Toutefois il s’agit d’un semi-conducteur à gap indirect, ce qui fait de lui un mauvais candidat pour la photonique. Les semi-conducteurs III-V, plus spécifiquement dans notre cas les III-As ont une mobilité électronique supérieure à celle du Si, c’est la raison pour laquelle ils sont exploités dans la microélectronique (ex : GaAs-Field-effet transistor). De plus, ils sont à gap direct ce qui fait d’eux des candidats favorables aux applications photoniques (ex : laser, LED).
Transitions radiatives
Les semi-conducteurs, sous l’effet d’un processus d’excitation (ex : lampe, laser, faisceau d’électron,…), peuvent émettre des photons issus de transitions correspondant à la recombinaison radiative d’un électron excité dans la bande de conduction avec un trou (trou d’électron) dans la bande de valence. Dans le cas idéal d’un semi-conducteur intrinsèque à gap direct, l’énergie d’excitation devra remplir la condition ??????????? ≥ Eg . L’excitation du semi-conducteur se traduit par la création d’une paire électron-trou. Ainsi dans la bande de conduction (respectivement la bande de valence), l’électron excité (respectivement le trou) se relaxe non-radiativement par l’émission de phonons (quasi-particules associées aux modes de vibration du cristal) en diffusant vers les niveaux d’énergies inférieurs (par convention, l’échelle d’énergie est inversée pour les trous). Après le phénomène de diffusion, le système va chercher à retourner à l’état d’équilibre. Pour cela, l’électron va de nouveau franchir le gap pour se recombiner avec un trou de même ?. En se désexcitant, la paire électron-trou émet un photon d’énergie Eg~ℎ?. Ce type de recombinaison sera qualifié d’intrinsèque car dépendant uniquement de la nature du cristal semi-conducteur.
Le cristal contient naturellement des défauts provenant du dopage intrinsèque (non intentionnel). On peut également introduire volontairement des défauts dans le cristal en le dopant (dopage extrinsèque). Le dopant introduit un niveau d’énergie supplémentaire, donneur (?, proche de la bande de conduction) ou accepteur (?, proche de la bande de valence), d’énergie plus faible de quelques meV.
Propriétés de l’exciton libre
Une baisse de la température réduit l’agitation thermique et favorise d’autres processus d’émission, notamment l’émission excitonique. Elle consiste en la formation d’une paire électron-trou, appelée exciton ayant une énergie plus faible que le gap, due à leur interaction électrostatique. Ils sont définis par une énergie de liaison, une durée de vie et une longueur de diffusion spécifique à chaque matériau. Un exciton est généralement visualisé comme étant une quasi-particule formée d’un électron et d’un trou attirés l’un à l’autre par les forces de Coulomb. Du fait de cette liaison, la paire électron-trou aura alors une énergie FX < Eg et devient le plus petit niveau électronique intrinsèque du semi-conducteur. La représentation de l’exciton la plus utilisée est celle de Wannier-Mott [16]. Dans ce modèle, le rayon de l’exciton est très grand ce qui permet ainsi à l’électron et au trou d’être séparés d’une distance plus grande que celle de la maille élémentaire. On modélise souvent l’exciton de Wannier-Mott comme l’atome d’hydrogène composé de deux éléments où la seule force attractive est le potentiel de Coulomb. L’exciton peut se mouvoir librement dans le cristal en fonction de l’extension spatiale de sa fonction d’onde.
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Table des matières
INTRODUCTION
Introduction, état de l’art de l’intégration III-V sur silicium
I.1. Propriétés électroniques et optiques d’un semi-conducteur III-As
I.1.1. Semi-conducteurs III-As
I.1.1.1. Structure cristalline
I.1.1.2. Structure de bande
I.1.1.3. Transitions radiatives
I.1.1.4. Propriétés de l’exciton libre
I.1.1.5. Propriété de l’exciton liée
I.1.2. Propriétés électroniques d’un puits quantique
I.1.2.1. Puits quantique : confinement 1D
I.1.2.2. Effet de la déformation
I.1.3. Conclusion
I.2. Intégration III-As sur substrat Si
I.2.1. Approches industrielles de l’intégration III-V sur substrat Si
I.2.2. Croissance directe III-V sur substrat Si
I.2.3. Les différentes stratégies de réduction de la densité de défauts
I.3. Caractérisations de ces matériaux, problématiques
I.4. Conclusion
Méthodes de caractérisation des propriétés électroniques et structurales
II.1. Cathodoluminescence en massif
II.1.1. Emission par cathodoluminescence
II.1.2. Instrumentation et Conditions expérimentales
II.1.3. Traitement et Simulation des propriétés électroniques
II.2. Etudes morphologiques par microscopie électronique en transmission sur lame mince
II.2.1. Technique STEM à 30 keV
II.2.2. Technique (S)TEM à 200 keV
II.2.2.1. Images TEM et HR-STEM
II.2.2.2. Mesures de déformation
II.2.2.2.1. Diffraction des électrons par précession d’un faisceau nanométrique (N-PED)
II.2.2.2.2. Analyse de phase géométrique (GPA)
II.3. Préparation de lames minces
II.3.1. Méthodes non-localisées
II.3.2. Méthode localisée
II.4. Etude par cathodoluminescence d’une lame mince préparée par gravure de faisceau d’ions localisés
II.4.1. Cathodoluminescence sur lame
II.4.1.1. Description des différentes méthodes de préparation
II.4.1.2. Résultats
II.4.1.3. Conclusion
II.5. Méthode de caractérisation CL/STEM spatialement corrélée
II.5.1. Développement d’une méthode de caractérisation localisée
II.5.1.1. Méthode de dépôt assisté sous faisceau d’électrons
II.5.1.1.1. Marquages pour la localisation des mesures CL
II.5.1.1.2. Marquages pour l’extraction et l’amincissement de la lame TEM
II.5.1.2. Amincissement centré d’une lame mince
II.5.2. Limites de la méthode
II.6. Conclusion
Etude de puits d’InGaAs 2D épitaxié sur buffer GaAs et substrat silicium
III.1. Etude d’un puits quantique bidimensionnel d’In0,1Ga0,9As
III.1.1. Description de l’échantillon
III.1.2. Etude en cathodoluminescence d’émission particulière
III.1.2.1. Etude CL basse température
III.1.2.2. Etude CL en température du doublet
III.1.2.3. Etude CL en courant du doublet
III.1.3. Etude ToF-SIMS
III.1.4. Contamination carbone d’un puits et impact sur ses caractéristiques d’émission
III.1.5. Co-localisation CL/STEM avec la déformation
III.1.6. Simulation des propriétés électroniques
III.1.7. Conclusion
Etudes de puits quantiques d’InGaAs sur substrat Si par épitaxie sélective et méthode ART
IV.1. Etude d’un puits quantique d’InGaAs épitaxié par croissance sélective en cavité
IV.1.1. Description de l’échantillon
IV.1.2. Etude optique et morphologique
IV.1.2.1. Analyses optiques en CL
IV.1.2.2. Analyses morphologies en (S)TEM et N-PED
IV.1.2.3. Corrélation CL/(S)TEM
IV.1.2.4. Conclusion
IV.1.3. Analyse chimique
IV.1.3.1. Simulation
IV.1.3.2. Etude XRD
IV.1.4. Etude HR-STEM
IV.1.4.1. Présence d’un ordre chimique
IV.1.4.2. Corrélation CL/HR-STEM
IV.1.4.3. Effet de l’annihilation de l’ordre local
IV.1.5. Conclusion
IV.2. Etude d’un puits quantique d’InGaAs épitaxié par croissance sélective hors cavité
IV.2.1. Description de l’échantillon
IV.2.2. Etude optique et morphologique
IV.2.2.1. Analyses optiques en CL
IV.2.2.2. Analyses morphologies par (S)TEM
IV.2.2.3. Corrélation CL/(S)TEM
IV.2.2.4. Conclusion
CONCLUSION
