Etude du transport vertical dans les hétérostructures à base de GaN pour les applications opto- et micro-électronique

par Sylvain Leconte

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Eva Monroy.

Soutenue en 2009

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    L'objet de ce travail est d'étudier les propriétés de transport électronique le long de l'axe de croissance dans des hétérostructures à base de semi-conducteurs nitrures. La compréhension de ces phénomènes est de première importance dans l'amélioration du design de composants unipolaires, tels que les diodes tunnel résonantes, les photodétecteurs infrarouges à puits quantiques ou encore les lasers à cascade quantiques. Ce travail débute sur l'étude d'échantillons de GaN avec une barrière simple d'AlN ou d'AlGaN dont la croissance est effectuée par épitaxie par jets moléculaires à base de plasma d'azote. J'ai étudié les effets du champ électrique interne généré par la barrière et le rôle des dislocations. Pour ce faire, j'ai mis au point des techniques originales, comme les mesures de photoluminescence en tension ou la technique de microscopie à force atomique conductrice. La première a permis d'observer la répartition du champ électrique dans la structure sous l'effet d'un champ électrique externe, confirmant les résultats de simulation, la deuxième a mis en évidence le rôle des dislocations vis pures dans les courants de fuite. La densité de dislocations à l'origine de fuites est cinquante fois plus faible que la densité totale de dislocations dans le matériau, ce qui laisse envisager la possibilité de réaliser des composants exempts de défauts conducteurs en réduisant la taille du motif à des dimensions de l'ordre du micron. Ensuite, je décris les résultats de l'étude des échantillons à double barrière d'AlN dans du GaN. J'ai pu observer une résistance différentielle négative autour de 1,5 V sur des échantillons avec un puits de GaN de 0,5 nm. Ce pic n'est observé que lors de la première mesure en tension, et peut être récupéré en appliquant une tension négative de l'ordre de -4 V. Pour les échantillons avec un puits plus large, on relève aussi deux niveaux de courant, le premier étant attribué à des fuites à travers les dislocations et l'autre pourrait être lié à un courant tunnel non résonant et assisté par les défauts à travers la structure. Pour terminer, je présente deux types de composants utilisant les propriétés de transport vertical dans les hétérostructures nitrures : les modulateurs électro-optiques et les photodétecteur infrarouge à puits quantiques. Le bon fonctionnement des modulateurs réalisés révèle la possibilité de transfert tunnel de charges à travers une barrière d'AlN. Quand aux photodétecteurs, leur fonctionnement par effet photovoltaïque a été démontré, cependant des problèmes apparaissent lorsque l'on applique une tension aux bornes de la structure. Des études supplémentaires sont requises pour le développement de photodétecteurs infrarouge photoconducteurs.


  • Résumé

    The aim of this work is to study the vertical electronic transport along the growth axis in AlN/GaN heterostructures. The comprehension of this phenomenon is of first importance in order to improve the design of unipolar devices such as resonant tunneling diodes, quantum well infrared photodetector or quantum cascade lasers. This work begins with the study of GaN samples with a single AlN or AlGaN barrier, where the growth is performed by plasma-assisted molecular-beam epitaxy. I have analysed the effect of the internal electric field generated by the barrier, and the role of the dislocations. To do so, I have developed some original experiments, such as photomuminescence spectroscopy under bias and conductive atomic force microscopy. Optical measurements provided information on the repartition of the internal electric field in the structure when we applied an external electric field, which confirmed the results obtained by simulations. Local conduction characterization revealed that pure screw dislocations are the main source of leakage current. The density of this kind of dislocations is fifty times smaller than the total dislocation density in the material, which raises the possibility to design components without conductive defects by scaling the patterns down to the micrometer scale. In a second stage, I described the results of the study of samples with a double AlN barrier in a GaN matrix. Samples with a GaN quantum well width of 0. 5 nm display a negative differential resistance around 1. 5 V. This feature is observed only during the first measurement, and can be recovered only by applying a negative bias of about -4 V. In the samples with a wider well, we also observe two current states, the first one being attributed to leakage through dislocations and the second one to a non-resonnant tunneling current assited by defects. Finally, I present two kinds of devices which use the vertical electronic transport in nitride heterostructures: charge transfer electro-optical modulators and quntum well infrared photodetectors. The good performance of the modulators confirms the feasibility of tunnel transport through an AlN barrier. For the quantum well photodetectors, it was demonstrated that they can operate in the photovoltaïc mode, but problems appear under bias. Further studies are required for the developpement of photoconductive infrared photodetectors.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (173 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 181 réf.

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS09/GRE1/0039/D
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  • Cote : TS09/GRE1/0039
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