Croissance et caractérisation de nitrures ZnGeN2 pour applications optoélectroniques

Synthesis and characterization of ZnGeN2 for optoelectronic devices

• Auteur / Autrice : Nicole Beddelem
• Direction : Patrice Miska, Silvère Barrat, Bérangère Hyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/04/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed-Abdou Djouadi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvère Barrat, Bérangère Hyot, Agnès Trassoudaine, Jean-Pierre Vilcot, Etienne Quesnel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Agnès Trassoudaine, Jean-Pierre Vilcot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Diodes électroluminescentes

Nitrures

Puits quantiques

Couches minces

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Semi-conducteur

Couches minces

Applications optoélectroniques

Semiconductors

Thin films

Optical applications

Résumé

Les nitrures d'éléments II-IV ZnSiN2, ZnGeN2 et ZnSnN2 forment une famille de semi-conducteurs liés aux nitrures d'éléments III (le GaN et ses alliages contenant de l'aluminium ou de l'indium). Ils s'obtiennent par construction en remplaçant l'élément III (Ga) périodiquement par un élément II (Zn) puis par un élément IV (Si, Ge ou Sn), ses voisins de gauche et de droite dans le tableau périodique. La structure cristalline qui en résulte est très proche de celle du GaN wurtzite. Le ZnGeN2 présente un désaccord de maille avec le GaN inférieur à 1%. Sa largeur de bande interdite est de quelques pour cents identique à celle du GaN et le large décalage de bande entre le GaN et le ZnGeN2 permet la formation d'une hétérostructure de type II. Ces données ont ouvert la voie à l'étude théorique de l'intégration des matériaux II-IV-N2 dans les zones actives de LEDs GaN. Ces puits quantiques de type II pourraient contribuer à améliorer les propriétés d'émission à grandes longueurs d'onde (verte et au-delà) des émetteurs à base de GaN. L'alliage ZnSn{x}Ge{1-x}N2 (de x = 0 à x = 1) étant peu connu, l'objectif de la thèse est de réaliser une étude expérimentale du matériau sous forme de couches minces élaborées par pulvérisation cathodique magnétron réactive. Ses propriétés structurales, optiques et électriques sont étudiées au moyen de différentes méthodes d'analyse. Il paraît ainsi possible de moduler son paramètre de maille a (de 3.22 A à 3.41 A) ainsi que la largeur de la bande interdite (de 2.1 eV pour le ZnSnN2 à 3.0 eV pour le ZnGeN2) mais également ses propriétés électriques sur plusieurs ordres de grandeur. L'utilisation de substrats de GaN permet, en outre, une analyse de l'interface entre les deux matériaux et l'étude des effets de quasi-épitaxie.

The II-IV-nitrides ZnSiN2, ZnGeN2 and ZnSnN2 represent a semiconductors family close to the III-nitrides (GaN and its aluminum and indium containing alloys). They are obtained by replacing periodically the group III element (Ga) by a group II element (Zn) and by a group IV element (Si, Ge or Sn), its left and right neighbors in the periodic table. The crystalline structure of ZnGeN2 is therefore really close to the one of wurtzite GaN. They show a lattice mismatch smaller than 1 %. The band gap of ZnGeN2 is almost identical to GaN and their large band offset enables the design of a type II heterostructure. These data set the stage for the theoretical study of II-IV-N2 integration into the active zones of GaN LEDs. These type II quantum wells could contribute to enhance the emission properties of GaN-based light emitters at high wavelengths (green and beyond). The ZnSn{x}Ge{1-x}N2 alloy (with x = 0 to x = 1) being rather unknown, the objective of this thesis is the experimental study of sputtered thin films of this material. Its structural, optical and electrical properties are investigated through different analysis methods. It seems possible to adjust its lattice parameter a (from 3.22 A to 3.41 A) as well as its band gap (from 2.1 eV for ZnSnN2 to 3.0 eV for ZnGeN2) but also its electrical properties on several orders of magnitude. The use of GaN substrates enables the investigation of the interface between both materials and quasi-epitaxy effects.