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Croissance des COuches Semipolaires de semiconducteurs NItrures de qualité optimale pour applications opto-électroniques – COSNI

COSNI

Orientation semipolaire pour des composants à base de semi-conducteurs nitrures (Ga, Al, In)N et leurs hétrostructures.

Objectifs globaux scientifiques et techniques du projet COSNI

Les semiconducteurs nitrures (GaN, AlN, InN) de structure wurtzite présentent une forte polarisation spontanée le long de l'axe naturel de croissance, c-<0001>. Dans les dispositifs actuels tous basés sur des nano-hétérostructures quantiques, on peut rencontrer des champs électriques aussi élevés que 10 MV/cm. Il en découle une faible efficacité de recombinaison des porteurs, l'élargissement et déplacement des raies vers le rouge, et une forte perturbation du transport vertical. Le remède serait la croissance sur des surfaces m-(11-20) ou a-(11-20) non polaires. Malheureusement la croissance cristalline selon ces orientations cristallographiques reste difficile due à la forte anisotropie de la surface, et les couches obtenues sont très défectueuses. Dans ce cadre, l’objectif de COSNI a été d’analyser la possibilité d’une technologie semipolaire par la croissance des semiconducteurs nitrures et leurs héterostructures sur des plans cristallographiques intermédiaires, particulièrement sur la surface (11-22), pour les applications optoélectroniques dans le visible (technologie interbande) et dans l'infrarouge (technologie intersousbande) qui ont besoin de champs électriques internes minimisés.

Pour la réalisation des objectifs de COSNI, la croissance des couches et héterostructures était prise en charge par les deux plus gros laboratoires publics français dans le domaine des nitrures (CEA-INAC et CRHEA). Les trois techniques les plus performantes du domaine (épitaxie aux hydrures en phase vapeur, la croissance en phase vepeurs aux organométalliques, et l'épitaxie aux jets moléculaires assistée par plasma) ont été mises en œuvre pour optimiser la croissance des couches semipolaires. Une forte interaction entre les équipes de croissance et celles de caractérisation (IEF, CIMAP) a permis que l’optimisation des conditions de croissance se réalise rapidement. A partir de la mi-parcours, la qualité des couches et le dopage étaient suffisamment contrôlées pour démarrer la mise au point des dispositifs dans le visible et des nanostructures avec l’absorption intersousbande dans le domaine infrarouge.

Au cours du projet COSNI, nous avons mis au point une méthode de croissance originale des couches semipolaires de GaN par épitaxie latérale asymétrique qui a permis de diminuer les densités des défauts cristallins de plus de deux ordres de grandeurs. Le mécanisme d'arrêt des fautes d'empilement basales a été identifié, il met en oeuvre des fautes d'empilement prismatiques. Les dopages p et n ont été optimisés et une émission lumineuse allant jusqu’au jaune à été mise en évidence. Concernant les alliages ternaires, nous avons constaté des différences dans l’incorporation de l’In par rapport à l’orientation polaire, notamment une amélioration par MOVPE et une inhibition par MBE. Par ailleurs, nous avons détecté une séparation de phase dans l’AlGaN (11-22) MBE dès que la concentration en Al dépasse 10%. Finalement, nous avons observé pour la première fois l’absorption intersousbande dans les nanostructures semipolaires.

Durant les 42 mois de collaboration, le partenariat de COSNI a abordé les possibilités ouvertes par l'utilisation des nitrures semipolaires aussi bien pour l'émission visible que pour les transitions intersousbandes de l'infrarouge au THz. Une collaboration très étroite s'est mise en place pour la caractérisation très fine du matériaux et des dispositifs. La réalisation des couches de GaN épaisses a été effectuée, et des morceaux autosupportés de plusieurs centimètres de surface ont été obtenus. A la fin de notre collaboration, il nous paraît indispensable que ce travail soit poursuivi afin d'exploiter les connaissances acquises et mettre au point des dispositifs efficaces dans le visible au delà du vert et l'infrarouge à base de nitrures semipolaires.

Le projet COSNI, a donné lieu à 17 publications dans des journaux scientifiques de fort impact et un chapitre de livre de revue technique sur les nitrures. Les partenaires sont intervenus dans les conférences scientifiques internationales de spécialistes

Les semiconducteurs nitrures de structure wurtzite présentent une forte polarisation spontanée le long de l'axe c. Dans les dispositifs actuels tous basés sur des nano-hétérostructures quantiques, on peut rencontrer des champs électriques aussi élevés que 10 MV/cm. Il en découle une faible efficacité de recombinaison des porteurs, l'élargissement et déplacement des raies vers le rouge, et une forte perturbation du transport vertical. Le remède serait la croissance sur des surfaces m-(11-20) ou a-(11-20) non polaires. Malheureusement la croissance cristalline selon ces orientations cristallographiques reste difficile due à la forte anisotropie de la surface, et les couches obtenues sont très défectueuses avec une haute densité des fautes d'empilement verticales. L'objectif de ce projet est de développer une technologie semipolaire par croissance sur des plans intermédiaires, en l'occurrence (11-22), pour les applications optoélectroniques dans le visible (technologie interbande) et dans le infrarouge (technologie intersousbande) qui ont absolument besoin de champs électriques internes minimisés. Pour ce faire, COSNI utilisera les trois techniques les plus importantes pour les nitrures semiconducteurs (épitaxie aux hydrures en phase vapeur, la croissance en phase vepeurs aux organométalliques, et l'épiaxie aux jets moléculaires assistée par plasma) dans une recherche experimental, combinée avec la modélisation. A la fin du projet, on se devrait produire des couches GaN semipolaires de qualité, ainsi que des héterostructures pour réaliser des dispositifs performants (diodes électroluminescentes et photodétecteurs infrarouges à base de puits quantiques)

Coordinateur du projet

CNRS DELEGATION REGIONALE NORMANDIE (Divers public)

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

CNRS DELEGATION REGIONALE NORMANDIE
CEA
CNRS - DELEGATION REGIONALE COTE D'AZUR
UNIVERSITE DE PARIS XI [PARIS- SUD]

Aide de l'ANR 600 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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