Elaboration en épitaxie par jets moléculaires des nitrures d'éléments III en phase cubique

par Esteban Martinez-Guerrero

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Catherine Bru-Chevallier et de Bruno Daudin.

Soutenue en 2002

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Cette étude a portée sur l'élaboration en épitaxie par jets moléculaires des matériaux nitrures d'éléments III en phase cubique sur des pseudo-substrats de SiC cubique dans le but de mettre en évidence les divers atouts de ces matériaux pour les applications aux dispositifs optoélectroniques. Nous avons pu obtenir des résultats sur le contrôle de la pureté et la qualité structurale des films épais de nitrures binaires qui se situent à l'état de l'art. Les limitations trouvées sur l'amélioration des propriétés des ces matériaux ont été dues à la morphologie des pseudo-substrats. Nous avons également fabriqué des films épais d'alliage AlGaN en phase cubique dans la gamme des compositions de 0<XAl<0,70%. D'autre part, le contrôle des modes de relaxation des couches de GaN sur AlN a permis la réalisation de boîtes quantiques et de puits quantiques de nitrure en phase cubique. L'étude optique a mis en évidence l'absence de polarisation spontanée et piezo-électrique dans ces nanostructures de nitrure en phase cubique. Cependant la forte densité de défauts structuraux limite leur performance. Finalement, nous avons travaillé sur le dopage intentionnel des films de GaN. Nous avons démontré la réalisation de diodes à jonction p-n émettant dans le bleu-vert mais l'interaction des défauts structuraux et donneurs résiduels avec le dopant de type p que nous avons utilisé a donné des problèmes de reproductibilité. Des travaux sur l'amélioration de la morphologie et de l'homogénéité des substrats SiC s'impose pour l'amélioration des couches de nitrure en phase cubique et les applications aux dispositifs optoélectroniques ou à micro-ondes.

  • Titre traduit

    = Growth of group-III nitrides in cubic phase by molecular beam epitaxy


  • Résumé

    This work concern the growth of III-group nitrides (GaN, AlN, AlxGa1-xN and InxGa1-xN) in cubic phase by molecular beam epitaxy on cubic pseudo-substrates SiC(001). The III-nitrides are very promising semiconductors for their applications in optoelectronics, high temperature and high speed devices. For example, optical properties of GaN crystallized in the zinc blende structure (c-GaN), which exhibits higher crystallographic symmetry, are expected to present some advantages compared to the hexagonal phase due to the absence of internal electric field. In addition, the possibility of an electronic integration with GaAs or Si devices, makes cubic GaN (AlN) very attractive. However, due to the difficulty to grow this metastable phase, a relatively limited amount to work has been devoted to the growth of these materials and to the fabrication of light emitting diodes. The aim of this work is to put in evidence these different theoretical advantages. Among the remaining problems which hinder further progress, the influence of extended defects on the structural and electrical properties and also the apparent lack of understanding of the mechanisms underlying impurity incorporation are a major importance. The high concentration of defects which often dominates the optical and electrical characteristics, a consequence of the lack of adapted substrates, makes the reproductibility of devices difficult. Indeed, the major limitation in the growth of c-GaN originates from polytypism, i. E. A tendency to form hexagonal subdomains within the cubic crydtal. Another issue to fabricate GaN-based devices is the control of doping with intentional impurities. N-type doping of c-GaN with Si is currently performed. By contrast, p-type doping of c-GaN layers presents much more difficulties: the chemical concentration roughly follows the Mg flux, but the hole concentration deviates strongly from it, showing the difficulty to incorporate Mg in the Ga site. In addition, the high O content in the layers causes that Mg still always electrically inactive. Stacking faults-induced out-diffusion of background impurities from the substrates is the other sources of n-type background impurities from the substrates is the other sources of n-type background conductivity in thin GaN and AlN layers. We have explored another way of application of this materials: quantum dots and quantum wells. It was demonstrated that the optical properties of these structures have not influences by the strong piezoelectric field like in nitrides crystallized in hexagonal phase. On the other hand, we have obtained AlGaN alloys having Al content in the range of 0 to 70%. Ours results are placed as the betters when compared with other groups in the world.

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Informations

  • Détails : 1 vol.(190 p).
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.172-188

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2629)
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