Spectroscopie optique de nouveaux matériaux à base de (Ga,In)(N,As) pour la réalisation de composants à cavité verticale émettant à 1,3 µm sur substrat GaAs

= Optical spectroscopy of (Ga,In)(N,AS) based semiconductor materials in order to realize vertical cavity devices emitting at 1. 3 micrometer on GaAs substrates

• Auteur / Autrice : Laurent Grenouillet
• Direction : Catherine Bru-Chevallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recuit thermique rapide

Nitrures

Électronique -- Matériaux

Résumé

Ce travail porte sur l'étude des propriétés optiques des nitrures à faible bande interdite GaNxAs et GaInNAs. Ces alliages semiconducteurs III-V, obtenus en incorporant une faible fraction d'azote (typiquement 2 %) dans du GaAs ou du GalnAs, ont récemment ouvert la voie à la réalisation, sur substrat GaAs, de dispositifs optoélectroniques émettant dans la gamme de longueur d'onde 1,3 micro-m - 1,55 micro-m des télécommunications optiques, jusqu'alors réservée à la filière InP. Les techniques de photoluminescence et la photoréflectivité sont utilisées dans un premier temps pour optimiser la croissance de ce type d'alliage. Le paramètre de courbure géant de l'alliage, c'est-à-dire la diminution drastique de l'énergie de bande interdite avec l'incorporation d'azote, est ensuite mis en évidence et explicité. Cette diminution est mise à profit pour obtenir l'émission à 1,3 micro-m à température ambiante avec des puits quantiques de GaInNAs/GaAs. Ensuite, une étude optique entre 8 K - 300 K a permis de mettre en évidence, pour la première fois sur ce type d'alliage, un comportement anormal de la photoluminescence avec la température. Ce comportement s'explique par une très forte localisation, induite par l'azote, des excitons à basse température, qui se délocalisent progressivement lorsque la température augmente et changent la nature des recombinaisons radiatives. Enfin, le recuit post-croissance sur ce type d'alliage est étudié. Il permet d'augmenter fortement les rendements radiatifs, mais en contre partie induit un décalage de la photoluminescence vers le bleu et une diminution des effets de localisation. A l'aide de nos résultats expérimentaux, une explication originale est proposée et un modèle quantitatif simple développé pour rendre compte de ce décalage. L'ensemble de ces résultats permet de mieux appréhender les mécanismes physiques à l'origine de la luminescence des nitrures à faible bande interdite, avant et après recuit. Ceci devrait permettre d'améliorer les propriétés optiques des dispositifs optoélectroniques.

In this work, the optical properties of the GaNAs and GaInNAs narrow band gap nitride materials are investigated. Recently, these III-V semiconductor alloys with a low fraction of nitrogen (around 2%) have been successfully used to grow optoelectronic devices emitting in the 1. 3 micro-m – 1. 55 micro-m wavelength range on GaAs substrates. Therefore the transmission window of silica fibers become accessible to the GaAs-based devices with these III-V-N compounds. Photoluminescence and photoreflectance are first used to optimizee Ga(In)Nas growth conditions. The giant bowing parameter of the alloy, i. E. The drastic decrease in the band gap energy with nitrogen incorporation, is also described and explained. It is then used to achieved 1. 3 micro – m emission at room temperature with GaInNAs/GaAs quantum wells. Optical spectroscopy in the 8 K – 300 K temperature range shows an anormalous behavior of the photoluminescence spectrum temperature dependence. This indicates that excitons are strongly localized at low temperature, and progressively delocalised as temperature increases, changing the nature of radiative recombinations from localized to delocalized. Finally, it is shown that these alloys are very sensitive to rapid thermal annealing. Post-growth annealing indeed increases the radiative efficiencies, but also induces a blue shift of the emission spectra, and a decrease in the localization effects. Based on experimental results, an original explanation of this blue shift is proposed, and a simple model is developed to account for the observed phenomena. All these results contribute to a better understanding of the mechanisms for the photoluminescence of narrow band gap nitrides and its evolution as thermal annealing proceeds. It should help to improve the optical properties of optoelectronic devices.