Matériaux et hétérostructures à base de nitrures d'éléments III en phase cubique et hexagonale pour l'optoélectronique

par Stéphane Fanget

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Catherine Bru-Chevallier.

Soutenue en 2002

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Depuis environ dix ans, les nitrures d'éléments III : GaN, AlN, InN et leurs alliages sont commercialisés sous forme de diodes électroluminescentes ou de lasers. D'autres applications sont accessibles à ces semi-conducteurs grands gaps (1eV-6. 2eV) : l'électronique de puissance, les détecteurs ainsi que les dispositifs à base de transitions inter-sous-bande. Ces transitions, ultra-rapides dans les nitrures (femtoseconde), permettent d'envisager des transmissions de données haut débit (Tbit/s) pour les télécommunications optiques (1. 3 æm et 1. 55 æm). A ce jour peu d'études sont rapportées sur les nitrures en phase cubique en raison des difficultés rencontrées lors de leur épitaxie (phase métastable). Une partie de ce travail a porté sur l'étude de cette phase pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques. Dans ce but nous présentons une étude des propriétés électriques et optiques de couches GaN cubiques dopées. Une seconde partie est consacrée à l'étude des alliages AlGaN cubiques dans une gamme de concentrations d'Al comprises entre 5% et 70%. A partir de mesures optiques : PL, EPL, PR et réflectivité nous discutons de la nature du gap de ces alliages. Des mesures de réflectivité, nous déduisons de façon quantitative et qualitative des informations concernant les rugosités présentes aux interfaces des échantillons. La dernière partie de ce travail est focalisée sur l'étude d'hétérostructures GaN/(Al,Ga)N. Contrairement à la phase cubique, la phase hexagonale présente une large polarisation interne. A partir de mesures de photoluminescence et de photoréflectivité nous déduisons la valeur de cette polarisation dans le puits quantique. Connaissant la polarisation interne, nous étudions les niveaux excités dans ces structures en comparant les mesures d'EPL aux calculs théoriques de ces niveaux. Ce travail s'achève par la conception d'hétérostructures en phase cubique susceptibles de fournir des transitions inter-sous-bande à 1. 3 æm et 1. 55 æm.

  • Titre traduit

    Group III nitride semiconductors in cubic and hexagonal phase for optoelectronic devices


  • Résumé

    Since approximately a decade, group III nitride semiconductors : GaN, AlN, InN and their alloys are commercialized within electro-luminescent diodes and lasers. Other applications are also accessible to those great gap (1 eV-6. 2 eV) semi-conductors : power electronic, detectors or inter-sub-band transition devices. Those ultra-fast transitions in nitrides (femtosecond), could be used in high bit rate (Tb/s) transmissions for optical telecommunications (1. 3 µm and 1. 55 µm). Up to now, due to the difficulties encountered during their epitaxy (metastable phase) only few studies have been reported on cubic phase nitrides. The first part of this work is dedicated to the study of such a phase for the realization of opto-electronic devices. In this way, we present here studies of the electrical and optical properties of cubic GaN doped layers. In a second part, we expose the study of cubic AlGaN alloys with concentration ranging from 5% to 70%. From various optical measurements, namely PL, PLE, PR and reflectivity, we discuss the gap nature of these alloys. Qualitative and quantitative information concerning the sample interfaces roughness are then derived from reflectivity measurements. The last part of this work is aimed to hexagonal phase GaN/(Al,Ga)N hetero-structures studies. The hexagonal phase presents a large internal polarization, as opposed to the cubic. Photoluminescence and photoreflectivity measurements allow us to derive a value for this polarization in the quantum wells. Knowing the internal polarization, we then study the excited states present in these structures by comparing PLE measurements with theoretical calculations performed on those states. Finally, we present the conception of cubic phase heterostructures which could provide us with inter-sub-band transitions at 1. 3 µm and 1. 55 µm.

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Informations

  • Détails : 1 vol.(172 p).
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.167-169

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2697)
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