Elaboration, étude et application d'hétérostructures (Al,Ga)N/GaN épitaxiées par jets moléculaires sur Si (111)

Elaboration, properties and application of (Al,Ga)N/GaN heterostructures grown by molecular bean epitaxy

• Auteur / Autrice : Franck Natali
• Direction : Jean Massies
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Gaz d'électrons

Puits quantiques

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Silicium

Résumé

Ce travail de thèse concerne le développement et l’évaluation d’une filière de semi-conducteurs à grande bande interdite de type nitrures d’éléments III épitaxiés sur substrat de silicium. Nous décrivons tout d’abord un procédé de croissance par Epitaxie sous Jets Moléculaires, utilisant NH3 comme source d’azote, qui permet de surmonter les problèmes liés à l’épitaxie de GaN sur Si (111). La caractérisation par microscopie à force atomique, microscopie électronique en transmission et spectroscopie de photoluminescence et de réflectivité de films minces de GaN de différentes épaisseurs épitaxiés selon ce procédé indique que les caractéristiques du matériau sont très proches de l’état de l’art obtenu sur le substrat de référence qui est le saphir. Notre travail s’est ensuite focalisé sur la réalisation et l’étude d’hétérostructures (Al,Ga)N/GaN destinées à deux types d’applications. La première concerne les microcavités, en vue à la fois de l’étude du couplage exciton-photon et de la fabrication de diodes électroluminescentes à cavité résonnante. La seconde a trait aux dispositifs hyperfréquences de type transistors à gaz 2D d’électrons.

This thesis work deals with the development and assessment of wide-band gap group III-nitrides epitaxially grown on silicon substrates. We first describe a growth process based on Molecular Beam Epitaxy, using NH3 as a nitrogen source, which allows us to overcome the difficulties encountered during the epitaxial growth of GaN on Si (111). Characterization of GN epitaxial layers obtained following this process has been performed as a function of the thickness by atomic force microscopy, transmission electron microscopy as well as by photoluminescence and reflectivity spectroscopy. Material characteristics are very close to the state-of-the-art obtained on the generally used sapphire substrate. We have then focussed our study on the growth of (Al,Ga)N/GaN heterostructures with the aim of assessing their potentialities in view of two types of applications. The first one concerns microcavities for fort both the study of the physics of light-matter coupling and the fabrication of resonant-cavity light-emitting diodes. The second one concerns hinge frequency devices based on the concept of the so-called High-Electron Mobility Transistor.