Disorder-induced localization effects in nitride semiconductor compounds and devices

par Wiebke Hahn

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jacques Peretti et de Claude Weisbuch.

Soutenue le 17-09-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Silke Biermann.

Le jury était composé de Jacques Peretti, Claude Weisbuch, Richard Friend, James S. Speck, Mathieu Kociak.

Les rapporteurs étaient Nicolas Grandjean, Philippe Dumas.

  • Titre traduit

    Effets de localisation induite par le désordre dans les composés et dispositifs en nitrures semi-conducteurs


  • Résumé

    Il y a de plus en plus d'indications que le désordre d’alliage influence fortement les propriétés électriques et optiques des composés semi-conducteurs. Dans les alliages ternaires de nitrures, le désordre intrinsèque de composition, qui résulte de la distribution aléatoire des atomes sur le réseau cristallin, induit de forts effets de localisation électronique. Ces effets semblent avoir un impact majeur sur les performances des diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrures, utilisées pour l’éclairage. Il est donc primordial d'aborder cette question car de très importantes économies d'énergie sont en jeu. Mais l'étude des effets du désordre d’alliage n'est pas triviale car l'échelle de longueur caractéristique pertinente est de l'ordre de quelques nm.Au cours de cette thèse, nous avons utilisé la spectroscopie d'électroluminescence à effet tunnel pour détecter la recombinaison radiative d'électrons injectés localement par une pointe de microscope à effet tunnel dans un puits quantique de type GaN / InGaN / GaN, similaire à ceux qui constituent la partie active des LED. Des pics étroits, caractéristiques de l’émission à partir d'états localisés uniques, sont détectés. Les fluctuations de la forme du spectre d'électroluminescence tunnel sont observées à l’échelle de quelques nm, qui correspond à la taille caractéristique des régions de localisation induites par le désordre d’alliage, comme le prédit la théorie dite du paysage de localisation.


  • Résumé

    There are growing indications that alloy disorder controls to a large extent the electrical and optical properties of semiconductor compounds. In nitride ternary alloys, intrinsic compositional disorder, resulting from the random distribution of atoms on the crystal lattice, induces strong electronic localization effects. These disorder-induced localization effects are suspected to have a major impact on the performances of nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It is therefore of primary importance to address this issue as huge energy savings are concerned. However, the investigation of alloy disorder effects is not trivial since the typical disorder length scale is in the nm range.During this thesis, we developed a scanning tunneling electroluminescence (STL) spectroscopy experiment to detect the radiative recombination of electrons locally injected by a scanning tunneling microscope tip in a GaN/InGaN/GaN quantum well, similar to those present in the active region of LEDs. Narrow emission peaks are detected which are characteristic of emission from single localized states. Fluctuations in the line shape of the local electroluminescence are observed at the scale of a few nm which evidence localization effects induced by alloy disorder. These experimental results are in good agreement with the so-called localization landscape theory which provides an effective confining potential map for the carriers exhibiting nanometer size localization regions.


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