DS10 - Défi des autres savoirs

Effets de localisation électronique dans les hétérostructures et dispositifs en nitrures – ELENID

Résumé de soumission

Prendre en compte la localisation des porteurs induite par le désordre dans les composés et dispositifs semi-conducteurs est un problème difficile. Classiquement, il faut résoudre l'équation de Schrödinger (pour les électrons et les trous) dans des configurations aléatoires du potentiel désordonné et déterminer les énergies et la structure spatiale des états quantiques localisés. En fait, ce problème est lié au fameux phénomène de localisation d'Anderson qui a suscité une littérature considérable et dont plusieurs aspects demeurent fascinants après plus de 50 ans de recherche. La plupart des théories développées pour rendre compte de la localisation d'Anderson reposent sur des moyennes statistiques (par des fonctions de corrélation) et des hypothèses de mise à l'échelle. Les méthodes existantes pour calculer le transport nécessitent de descendre jusqu’au niveau atomique à un coût de calcul prohibitif. Très récemment, une approche puissante basée sur la théorie dite du paysage de localisation a été développée au LPMC dans le cadre d'un projet soutenu par l'ANR (CRIPRONI). Cette approche permet de prendre en compte la localisation électronique induite par le désordre et de prédire les propriétés des composés et des dispositifs tels que l'absorption optique et les caractéristiques électriques. Mais les expériences sondant la localisation aux échelles pertinentes manquent encore pour valider la théorie du paysage de localisation.
Dans le projet ELENID, nous développerons des approches spécifiques de spectroscopie et de microscopie pour étudier les effets du désordre quantique sur les processus électroniques dans les structures InGaN/GaN et AlGaN/Gan. Les composés III-N sont des systèmes modèles pour aborder ce problème. Etant données les variations spectaculaires avec la composition de l’énergie de bande interdite et des discontinuités de bande dans les hétérostructures, les fluctuations spatiales de la structure électronique induites par le désordre compositionnel sont importantes. Les effets de localisation doivent donc se manifester fortement dans le transport et les propriétés optiques du matériau. Ceci ouvre des perspectives pour l'étude expérimentale de problèmes fondamentaux tels que l’apparition de la localisation des porteurs à faible taux d'alliage et le passage d’une localisation faible à forte, d’excitations libres à des excitations localisées.
Les partenaires du projet - le LPMC à l'Ecole polytechnique (France) et le LASPE à l'EPFL (Suisse) - disposent de ressources et de compétences complémentaires. Le LASPE disposent des moyens de croissance et de caractérisations des nitrures semi-conducteurs ainsi que des techniques de micro-spectroscopie de photoluminescence pour observer les effets du désordre aux échelles microniques et évaluer l'effet de la localisation sur la thermalisation et la vitesse de recombinaison des porteurs. Le LPMC développe une approche par sonde locale permettant de mesurer la recombinaison aux échelles nanométriques dans des hétérostructures à puits quantiques. Cette approche fournira une mesure directe du paysage de localisation. De plus, des mesures de spectroscopie résonnante fourniront des informations sur le transport et la thermalisation des excitations délocalisées ou localisées. Enfin, la spectroscopie de luminescence à haute résolution sera utilisée pour détecter des distributions statistiques d'atomes d'alliage par la recombinaison d'états localisés. Avec la capacité de produire des matériaux et des hétérostructures de haute qualité, de sonder les effets de localisation aux échelles pertinentes et de modéliser les propriétés des matériaux désordonnés, le consortium pourra étudier l’impact des effets de localisation, dans le régime de faible alliage, sur les matériaux et les hétérostructures en nitrures semi-conducteurs, pierres angulaires des LED blanches et transistors de puissance, dispositifs qui ont une importance considérable pour les économies d'énergie.

Coordination du projet

Jacques PERETTI (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPMC Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
LASPE - EPFL Laboratoire en semiconducteurs avancés pour la photonique et l'électronique - EPFL

Aide de l'ANR 435 215 euros
Début et durée du projet scientifique : avril 2018 - 36 Mois

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