Hétérostructures GaN/Al(Ga)N pour l'optoélectronique infrarouge : orientations polaires et non-polaires

par Caroline Botum Lim

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Eva Monroy.

Le président du jury était Catherine Chaillout-Bougerol.

Le jury était composé de Jean-Michel Chauveau, Lorenzo Rigutti.

Les rapporteurs étaient Henning Riechert, Eric Tournié.


  • Résumé

    Les transitions intersousbandes (ISB) sont des transitions d’énergie entre des états électroniques dans un puits quantique. Les nanostructures GaN/AlGaN sont prometteuses pour le développement de composants optoélectroniques ISB pouvant couvrir la totalité de la gamme infrarouge. Leur large décalage de bande de conduction (~1.8 eV pour les systèmes GaN/AlN) et temps de vie ISB inférieurs au picoseconde les rendent attractifs pour l’optronique ultra-rapide en régime infrarouge courte longueur d’onde (SWIR, 1-3 µm) et moyenne longueur d’onde (MWIR, 3-8 µm). De plus, la grande énergie de phonon longitudinal-optique du GaN (92 meV, 13 µm) offre la possibilité de développer des composants ISB couvrant la bande 5-10 THz, interdite au GaAs, et opérant à température ambiante.Le travail décrit dans ce manuscrit a eu pour objectif d'améliorer les performances des technologies ISB GaN/AlGaN et de contribuer à une meilleure compréhension des problématiques posées par leur extension à la gamme des THz. D’une part, la photodétection ISB nécessite le dopage n des nanostructures. Dans ce travail de thèse, on étudie le Si et le Ge en tant que dopants de type n potentiels pour le GaN. D’autre part, la présence de champs électriques internes dans la direction de confinement des hétérostructures plan c constitue l’un des principaux défis de la technologie GaN ISB. C'est pourquoi on étudie la possibilité d’utiliser des orientations cristalline non-polaires a ou m alternatives pour obtenir des systèmes opérant sans l’influence de ces champs électriques.Concernant l'étude du Ge et du Si comme dopants potentiels, on montre que l’incorporation de Ge dans des couches mince de GaN n’affecte pas leur morphologie, mosaïcité ni photoluminescence. Les propriétés bande-à-bande des nanostructures GaN/AlGaN plan c étudiées sont indifférentes à la nature du dopant, mais les structures à grand désaccord de maille voient leur qualité structurale améliorée par le dopage Ge. Concernant l’alternative non-polaire, on compare des structures à multi-puits quantiques GaN/AlN plan a et plan m. Les meilleurs résultats en termes de performances structurales et optiques (bande-à-bande et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. Elles montrent de l’absorption ISB à température ambiante couvrant la fenêtre SWIR, avec des performances comparables aux structures plan c, mais avec une qualité structurale trop faible pour envisager la fabrication de composants. En incorporant du Ga dans les barrières d’AlN, on réduit de désaccord de maille et donc la densité de fissures. Ces structures plan m montrent de l’absorption ISB à température ambiante dans la gamme MWIR 4.0-4.8 µm, mais présentent toujours des défauts de structure. Finalement, on a étendu l’étude à la gamme lointain infrarouge, en utilisant des barrières d’AlGaN avec une composition bien plus basse en Al. Les structures plan m étudiées présentent une excellente qualité cristalline, sans défauts de structures, et présentent de l’absorption intersousbande à basse température entre 6.3 et 37.4 meV (1.5 et 9 THz). Ce résultat constitue une démonstration expérimentale de la faisabilité de composants GaN opérant dans la bande 5-10 THz, interdite aux technologies GaAs.

  • Titre traduit

    GaN/AlGaN heterostructures for infrared optoelectronics : polar vs nonpolar orientations


  • Résumé

    Intersubband (ISB) transitions are energy transitions between electronic states in a quantum well. GaN/AlGaN nanostructures have emerged as promising materials for new ISB optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared spectrum. Their large conduction band offset (~1.8 eV for GaN/AlN) and sub-picosecond ISB recovery times make them appealing for ultrafast photonics devices in the short-wavelength infrared (SWIR, 1-3 µm), and mid-wavelength infrared (MWIR, 3-8 µm) regions. Moreover, the large energy of GaN longitudinal-optical phonon (92 meV, 13 µm) opens prospects for room-temperature ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs.The work described in this thesis has aimed at improving the performance and understanding of the material issues involved in the extension of the GaN/AlGaN ISB technology to the THz range. On the one hand, ISB photodetection requires n-type doping of the active nanostructures. In this work, we explore Si and Ge as potential n-type dopants for GaN. On the other hand, the presence of internal electric fields in the confinement direction of polar c-plane heterostructures constitutes one of the main challenges of the GaN-based ISB technology. In this thesis, we address the use of nonpolar a or m crystallographic orientations as an alternative to operate without the influence of these electric fields.Regarding the use of Si and Ge as n-type dopants for GaN, we show that the use of Ge as a dopant does not affect the morphology, mosaicity and photoluminescence properties of the doped GaN thin films. In the c-plane GaN/AlGaN heterostructures, no effect on the band-to-band properties was observed, but the structures with high lattice mismatch showed better mosaicity when doped with Ge. Regarding the alternative of nonpolar GaN, we compared GaN/AlN multi-quantum wells grown on a and m nonpolar free-standing GaN substrates. The best results in terms of structural and optical (both band-to-band and ISB) performance were obtained for m-plane structures. They showed room-temperature ISB absorption covering the whole SWIR spectrum, with optical performance comparable to polar c-plane structures, in spite of a too low structural quality to consider device processing. By introducing Ga in the AlN barriers, the lattice mismatch of the structure is reduced, leading to lower densities of cracks. Such m-plane structures showed room-temperature ISB absorption tunable in the 4.0-5.8 µm MWIR range, but still with structural defects. Finally, we extended the study to the far-infrared range, using AlGaN barriers with much lower Al content. As a result, the studied m-plane structures displayed an excellent crystalline quality, without extended defects, and showed low-temperature ISB absorption in the 6.3 to 37.4 meV (1.5 to 9 THz) range. This result constitutes an experimental demonstration of the feasibility of GaN devices for the 5-10 THz band, forbidden to GaAs-based technologies.


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