Étude de l'impact du désordre d'alliage sur les propriétés électroniques et optiques des nitrures semi-conducteurs et de leurs hétérostructures.

Study of the impact of alloy disorder on the electronic and optical properties of nitride semiconductor compounds and of their heterostructures.

• Auteur / Autrice : Mylène Sauty
• Direction : Jacques Peretti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/06/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Luca Perfetti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Peretti, Nicolas Grandjean, Jean-Yves Duboz, Elisabeth Boer-Duchemin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Grandjean, Jean-Yves Duboz

Mots clés

Mots clés libres

Nitrures

Désordre d'alliage

Localisation

Nitride

Alloy disorder

Localization

Résumé

Les nitrures semi-conducteurs sont à la base de dispositifs optoélectroniques actuels comme les diodes électroluminescentes. Cependant, certaines de leurs propriétés fondamentales sont encore mal connues. Notamment, l’impact du désordre intrinsèque de composition sur les processus d’absorption, de transport et de recombinaison des porteurs dans les composés ternaires tels que l’InGaN fait l’objet d’un débat intense. Du fait de la forte variation de l’énergie de bande interdite avec la composition de l’InGaN, le désordre d’alliage, qui provient de la substitution aléatoire des atomes d’indium et de gallium sur le réseau cristallin, induit des fluctuations importantes de potentiel qui pourraient être à l’origine d’effets de localisation des porteurs.Dans cette thèse, nous abordons l’étude des effets de localisation induite par le désordre de composition dans les alliages d’InGaN par deux approches expérimentales originales. D’une part, la spectroscopie de photoémission à très basse énergie permet de sonder le transport des électrons minoritaires. Nous montrons que le transport des électrons de basse énergie dans les alliages d’InGaN est un transport par sauts entre états localisés qui est gelé à basse température. D’autre part, nous avons développé une technique de micro-spectroscopie d’électroluminescence sous injection tunnel qui permet de sonder les propriétés de recombinaison à l’échelle nanométrique dans des puits quantiques d’InGaN. Nous avons pu ainsi mettre en évidence des fluctuations du spectre d’émission à l’échelle du désordre d’alliage et obtenir des informations sur l’existence d’état localisés et sur les propriétés de transport latéral dans les puits quantiques d’InGaN.

Nitride semiconductor are present in current optoelectronic devices such as light-emitting diodes. However, some of their fundamental properties are still poorly understood. In particular, the impact of the intrinsic alloy disorder on the electronic processes (absorption, transport and carrier recombination) in ternary compounds, such as InGaN, is the subject of an intense debate. Due to the strong variation of the bandgap energy with the InGaN composition, the alloy disorder, which arises from the random substitution of indium and gallium atoms on the crystal lattice, induces large potential fluctuations which could be at the origin of carrier localization effects.In this thesis, we study the localization effects induced by compositional disorder in InGaN alloys by two original experimental approaches. On the one hand, photoemission spectroscopy at very low energy gives access to the transport of minority electrons. We show that the transport of low energy electrons in InGaN alloys occurs via hopping between localized states and is frozen at low temperature. On the other hand, we developed a scanning tunneling electroluminescence micro-spectroscopy technique to probe the recombination properties at the nanometer scale in InGaN quantum wells. We evidence fluctuations in the emission spectrum at the scale of the alloy disorder and obtain information on the existence of localized states and on the lateral transport properties in InGaN quantum wells.