Développement de nanostructures à base de semiconducteurs III-Nitrures pour l'optoélectronique infrarouge

par Fabien Guillot

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Eva Monroy.

Soutenue en 2007

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    Ce travail a consisté en la croissance (par épitaxie à jets moléculaires) et la caractérisation de nanostructures à base de semiconducteurs nitrures (GaN, AlN et alliages) afin de développer de composants optoélectroniques avancés basés sur les transitions intrabandes pour la prochaine génération de systèmes de télécommunications à très haut débit. Une première série de résultats concerne la croissance de couches minces de nitrures, notamment celle des alliages d'AlGaN. D'après notre étude, la croissance de couches dont la fraction molaire d'Al reste en deçà de 35 % nécessite la présence d'un excès de Ga. Au delà, il est nécessaire d'utiliser l'In en tant que surfactant ou bien de réaliser des superalliages GaN/AlN. Des études du dopage Si de ce type de structures ont été menées. Nous avons ensuite étudié des structures à multicouches de puits quantiques GaN/AlN dopées Si. Celles-ci présentent les pics d'absorption ISB polarisée p à des longueurs d'onde de la gamme des télécommunications à température ambiante. L'effet de divers paramètres de croissance et de design a été étudié. L'analyse des caractérisations de ces échantillons a permis d'évaluer le champ électrique interne ainsi que l'offset de bande de conduction entre le GaN et l'AlN de nos structures. Concernant la synthèse des structures multicouches de boîtes quantiques GaN/AlN dopées Si, nous avons adapté la technique de croissance de ces structures pour minimiser la taille de boîtes, et ce, de manière à ce que leur absorption intrabande puisse atteindre les longueurs d'onde des télécommunications optiques. L'énergie du pic d'absorption des boîtes peut être ajustée en modifiant la quantité de GaN dans les boîtes, la température de croissance, et le temps d'interruption de croissance. Enfin, les résultats obtenus sur la réalisation de composants sont développés. Nous nous sommes focalisés sur les dispositifs basés sur l'absorption (photodétecteurs à puits et à boites quantiques, modulateurs électro-optiques) et l'émission de lumière infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde des télécommunications. Des résultats prometteurs ont été obtenus sur l'ensemble de ces composants, ils forment une première étape vers la fabrication de composants pour les télécommunications à base de semiconducteurs nitrures.


  • Résumé

    This work focuses on the molecular-beam epitaxial growth and characterization of nanostructures based on nitride semiconductors (GaN, AlN and alloys) in order to develop advanced optoelectronic devices based on intraband transitions, towards the next generation of high-speed telecommunication systems. A first set of results reports on the growth of nitride thin layers, including AlGaN alloys. Our study has demonstrated that the growth of layers whose Al molar fraction stays below 35% requires an excess of Ga. For higher Al content, it is necessary to use In as a surfactant or to grow super-alloys GaN/AlN. Studies on doping these structures with Si have also been performed. We have then studied multilayered structures of Si-doped GaN/AlN quantum wells. They display p-polarized intersubband absorption peaks at wavelengths in the telecommunication range at room temperature. The effect of various growth and design parameters has been studied. Various characterizations were applied to the assessment of the internal electric field and the conduction band offset between GaN and AlN in our structures. About the fabrication of multilayered structures of Si-doped GaN/AlN quantum dots, we have adapted the growth techniques in order to minimize the size of the dots, to tune the intraband absorption within the telecommunication range. The absorption energy can be adjusted by modifying the amount of GaN in the dots, the growth temperature and the ripening time. Finally, these structures have been processed for the fabrication of optoelectronic devices. We have focused on devices based on absorption (quantum wells and quantum dots based photodetectors, electro-optical modulators) and based on the emission of infrared light at telecommunication wavelengths. The promising performance of these devices constitutes a first step towards the fabrication of telecommunication devices based on nitride semiconductors.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (184 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 200 réf.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS07/GRE1/0230/D
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