Propriétés structurales et électroniques des nitrures III-N

Pour la micro-électronique le silicium est actuellement le matériau de base (plus de 80% des applications dans ce domaine), mais son gap indirect le rend non performant dans certains cas, notamment pour les applications optoélectroniques. Pour pallier cet inconvénient, une recherche très soutenue a été entreprise sur d’autres matériaux, notamment les semiconducteurs III-V (association d’éléments des colonnes III et V du tableau de Mendeleïev). Le domaine d’application de ces matériaux connaît une expansion très large vue les récents progrès et la compréhension de la physique des semi-conducteurs. En effet, ces matériaux sont les plus utilisés dans les diodes électroluminescentes émettant dans la gamme infrarouge et visible (500 à 2000 nm), qui ont remplacé les diodes classiques par leur fort rendement de luminescence et leur grande durée de vie, permettant ainsi de réduire le coût de fonctionnement et d’entretien des sources lumineuses.

Des enjeux économiques et scientifiques importants sont à l’origine d’une compétition pour l’obtention d’une longueur d’onde toujours plus courte et des seuils sans cesse plus bas, notamment pour les photodétecteurs qui ont beaucoup d’applications potentielles, dans les domaines comme l’astronomie solaire, la détection des missiles et la surveillance des procédés de combustion. L’élaboration de structure permettant de couvrir la gamme optique bleu et UV (450 à 350 nm) et moins avancé vu des difficultés d’élaboration et de dopage des matériaux à large bande interdite. De plus, les alliages étant très résistifs, il est très difficile d’obtenir des contacts ohmiques de qualité.

PROPRIETES STRUCTURALES ET ELECTRONIQUES DES NITRURES IIIrN 

Les nitrures III-N présentent un intérêt fondamental pour les applications en microélectronique de puissance, haute fréquence et pour l’optoélectronique dans les domaines spectrales bleu et ultra-violet (LEDs, Lasers, Photodétecteurs), du fait de leurs exceptionnelles propriétés électroniques, physiques et optiques. Dans ce chapitre nous présentons ces propriétés, ainsi que les techniques de croissance permettant d’élaborer ces matériaux.

PARAMETRES FONDAMENTAUX DES NITRURES IIIrN 

STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE 

Les nitrures III-N à large bande interdite sont des composés binaires, ternaires et quaternaires formés d’élément III (B, Ga, Al, In) et de l’azote. Ces composés III-N peuvent présenter deux phases cristallines: la phase Blende de Zinc qui se compose de deux réseaux cubiques à faces centrées , l’un occupé par les éléments III et l’autre occupé par les atomes d’azote, décalé d’un quart de la diagonale; la phase wurtzite, formée de deux réseaux hexagonaux compacts, l’un occupé par les atomes III et l’autre occupé par les atomes d’azote, décalés suivant l’axe c d’une valeur de 3c/8 . La phase wurtzite est la plus stable dans les conditions normales de croissance (sur substrat saphir, SiC,…). Dans ce travail, nous nous intéresserons exclusivement à celle ci. Notons néanmoins, que le nitrure de gallium cubique peut être obtenu sur des substrats présentant une symétrie cubique [Mizuta’86] , comme par exemple GaAs (100). Dans ce premier cas la croissance se fait principalement suivant l’axe (0001).

On note que le nouveau ternaire BGaN peut être en accord de maille sur AlN, pour une fraction de bore d’environ 10%.

STRUCTURE DE BANDE

Les binaires GaN, AlN, InN et BN possèdent en général un gap direct (minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence se trouve aligné dans l’espace des k au centre de la zone de Brillouin). Plusieurs méthodes, qui sont à la base de nombreux calculs, ont été réalisés pour la détermination de la structure de bande de ces binaires, et particulièrement pour le GaN et l’AlN. les structures de bande pour le GaN et l’AlN wurtzite obtenues par la méthode empirique des pseudopotentiels, ce qui est en bon accord avec les mesures expérimentales du gap. Les études expérimentales nous donnent les valeurs des largeurs de bande interdite pour les binaires (Al,Ga)N wurtzite à 300K . Ces valeurs de gap direct correspondent à des longueurs d’onde de 200 nm (pour l’AlN) et 364 nm (pour le GaN), permettant de concevoir des composants optoélectroniques de nouvelles générations dans la gamme spectrale de l’ultraviolet (LEDs, Lasers, Photodétecteurs).

LA RESISTIVITE, LA MOBILITE ET LA CONCENTRATION DES PORTEURS

La concentration des électrons et leur mobilité sont directement liées à la résistivité de la couche, mesurée par le technique van der Pauw qu’on détaillera dans le chapitre suivant. Dans le GaN, ces paramètres ont été étudiés par plusieurs équipes [Look, 1997][Gotz, 1998]. Il ressort que ces paramètres varient en fonction de l’épaisseur de la couche, des propriétés structurales et morphologiques, des défauts étendus et ponctuels, du type de substrat, etc. La mobilité est une caractéristique très importante du matériau, car elle traduit la capacité qu’ont les porteurs à se déplacer dans le matériau. C’est donc un facteur déterminant pour les dispositifs. Ceci est très important pour des domaines comme l’optoélectronique, ou les télécommunications. D’après la définition de la mobilité, le transport électronique dépend essentiellement de deux paramètres : la masse effective des électrons et la fréquence des interactions avec le réseau cristallin. La vitesse moyenne des électrons résulte de deux interactions antagonistes : l’accélération due au champ électrique et la diffusion par le réseau cristallin. L’action du potentiel cristallin est décrite par les notions de masse effective ; deux effets perturbateurs s’ajoutent de façon ponctuelle à l’action du potentiel cristallin. D’une part, à cause de l’agitation thermique, les atomes vibrent autour de leur position d’équilibre (phonon), d’autre part, il existe des perturbations locales du potentiel cristallin (dopant, alliages, …) qui sont aussi sources d’autres types d’interactions des porteurs avec le réseau. Ainsi, les différentes interactions qui limitent la mobilité sont principalement:

❖ L’interaction avec les impuretés ionisées
L’ionisation des impuretés contenues dans le cristal conduit à l’apparition d’un potentiel coulombien qui perturbe la distribution périodique du potentiel cristallin. Ainsi, les électrons qui passent au voisinage d’une impureté ionisée trouvent leur trajectoire modifiée, ce qui réduit leur efficacité dans le transport du courant, mais ils conservent leur énergie cinétique (interaction élastique). Cette interaction a fait l’objet de plusieurs études, H. Brooks et al. [H.Brooks, 1951] donnent l’expression de la mobilité limitée par les impuretés ionisées, elle varie en Ni-1T 3/2, avec Ni le nombre total d’impuretés et T la température.

Ce type d’interaction c’est la plus pénalisante pour la mobilité aux très basses températures, et elle est d’autant plus pénalisante que le nombre d’impuretés est élevé.

❖ L’interaction avec les impuretés neutres
Aux basses températures, quand le niveau de Fermi du semi conducteur est au dessus du niveau énergétique correspondant à une impureté, celle-ci ne sera pas ionisée. Si des distorsions dans le réseau cristallin sont introduites, il y’a une rupture de la périodicité du réseau. Le couplage entre les porteurs et cette impureté n’est pas coulombien. Cette interaction est présente dans toute la gamme de température, et n’est pas prépondérante dans une gamme de températures en particulier.

❖ La diffusion d’alliage
A cause du désordre d’un alliage, le potentiel cristallin n’est pas périodique du fait des fluctuations locales de composition. Ce phénomène existe dans toute la gamme de température, mais à basse température, il est masqué par d’autres interactions prédominantes (impuretés ionisées et phonons optiques). C’est souvent l’interaction la plus pénalisante à des températures intermédiaires.

❖ L’interaction avec les phonons
Les phonons se distinguent en deux catégories, selon les vibrations des atomes : les phonons optiques, pour lesquels les atomes vibrent en opposition de phase, et les phonons acoustiques, où les atomes vibrent en phase. Ces interactions phonon-électron se font par absorption ou émission de phonons, en respectant la conservation de l’énergie et du vecteur d’onde. On distingue :

➤ L’interaction avec les phonons acoustiques : Avec les deux types de mécanismes qui font intervenir ces collisions: interaction acoustique (couplage par déformation de potentiel cristallin) et interaction piézoélectrique (couplage coulombien). Les collisions acoustiques sont des chocs élastiques dont l’effet principal est de rendre aléatoire la direction du vecteur de vitesse des électrons. Ces deux mécanismes sont pénalisants pour le transport de charges avec l’application d’un champ électrique. Ce type d’interaction est présent dans toute la gamme de températures mais rarement prépondérante.
➤ L’interaction avec les phonons optiques: A basse température, le nombre de phonons est faible, l’interaction électron-phonon est peu probable. Lorsque la température augmente, les vibrations du réseau augmentent. Ainsi l’interaction avec les phonons optiques devient prépondérante aux hautes températures. Cependant ce phénomène cesse d’être pénalisant, dés que l’énergie cinétique dépasse le seuil d’émission du phonon polaire.

Pour les nitrures III-N, ce comportement indique que cette mobilité résulte principalement de l’interaction élastique de porteurs libres avec les impuretés ionisées [Stillman, 1976].  l’effet de chaque interaction sur la mobilité d’une couche de GaN déposé sur AlGaN en fonction de la température [Gökden, 2004]. Les résultats expérimentaux montrent qu’aux faibles températures, les interactions avec les impuretés ionisées sont les plus pénalisantes pour la mobilité et aux hautes températures, les interactions avec les phonos optiques sont les plus prépondérantes.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Propriétés structurales et électroniques des nitrures III-N
I.1 Paramètres fondamentaux des nitrures III-N
I.1.1 Structure cristallographique
I.1.2 Structure de bande
I.1.3 La résistivité, la mobilité et la concentration des porteurs
I.2 Croissance des matériaux nitrures III-N
I.2.1 Principe et précurseurs de la croissance MOVPE
I.2.2 Couches tampons pour la croissance EPVOM
I.3 Les propriétés électroniques
I.3.1 Origine du dopage résiduel
I.3.2 Le dopage intentionnel
I.4 Les composé ternaire AlxGa(1-x)N et BxGa(1-x)N
Références bibliographiques
Chapitre II : Caractérisations électrique et optique des matériaux III- N
II.1 Caractérisation électrique
II.1.1 Présentation de la plateforme de caractérisation électrique
II.1.2 Mesure de la résistivité
II.1.2.1 Méthode des quatre pointes
II.1.2.2 Technique de van der Pauw
II.1.3 Mesures Hall
II.1.4 Protocole expérimental
II.1.5 La caractéristique I-V – Mécanismes de conduction
II.1.6 Mesure capacitive – Profil de dopage
II.2 Caractérisation optique
II.2.1 Transmittance
II.2.2 La spectroscopie Raman
Références bibliographiques
Chapitre III: Optimisation des contacts métal semi-conducteur
III.1 Le Contact métal/semi-conducteur
III.1.1 Contacts ohmiques
III.2 Optimisation des contacts sur les nitrures
III.2.1 Optimisation des contacts ohmiques
III.2.1.1 Traitement de surface
III.2.1.2 Réalisation des dispositifs
III.2.1.3 Evaporation
III.2.1.4 contacts Ti/Al sur GaN
III.2.1 Optimisation des contacts Schottky
III.2.1.1 Contacts Schottky de platine
III.2.1.2 Contacts Schottky d’or
III.3 Application au BxGa1-xN
Références bibliographiques
Chapitre IV: Etude des propriétés électroniques et structurales du BxGa1-xN
IV.1 Propriétés structurales du BxGa1-xN
IV.2 Propriétés électroniques du BxGa1-xN
IV.2.1 BxGa1-x N élaboré sur GaN
IV.2.2 BxGa1-x N élaboré sur substrat d’AlN
IV.2.3. Etude des paramètres de transport en fonction de la température
IV.3 Propriétés optiques
IV.3.1 La transmittance
IV.3.2 La spectroscopie Raman
Références bibliographiques
Conclusions et perspectives
Publications

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