Étude des Propriétés électroniques des matériaux et des hétéro-structures à base d’Antimoniures III-Sb

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Les antimoniures sont formés par les matériaux semi-conducteurs composés binaires III-Sb tels que AlSb, GaSb, InSb ainsi que leurs alliages associés ternaires, quaternaires et quinaires. Ces matériaux sont caractérisés par de faibles gaps (0.18eV< EG<1.5eV) centrés autour de celui de GaSb (EG=0.7eV) et de faibles masses effectives des électrons et des trous. Ils sont ainsi très adaptés pour réaliser des lasers émettant à température ambiante dans le domaine du moyen infrarouge 2µm-10µm [1]. Utilisés d‟abord dans les diodes lasers à puits quantique [2], ces composés offrent des solutions innovantes et performantes pour réaliser des lasers à cascade quantique [3-5].

Pour atteindre la longueur d‟onde désirée, on doit choisir les bonnes compositions du matériau utilisé pour le puits pour obtenir les énergies de la bande interdite (EG) correspondantes. On doit également choisir les bonnes compositions du matériau utilisé pour la barrière pour avoir un bon accord de maille ou un désaccord de maille inférieure à 2%. Pour éviter la fuite des porteurs on doit avoir un bon confinement des électrons et des trous. Dans ce chapitre, nous faisons une optimisation de tous ces paramètres en étudiant les propriétés de bandes des différents alliages et hétérostructures à base d‟Antimoniure. Nous déterminons l‟énergie de la bande interdite en fonction de la composition d‟alliage, nous étudions l‟effet de la barrière quaternaire AlxGa1-xAsySb1-y sur le puits GaxIn1-xAsySb1-y et l‟effet de la barrière quinaire AlxGayIn1-x-yAszSb1-z sur le même puits GaxIn1-xAsySb1-y. Nous déterminons le band offset de ces hétéro-structures et nous étudions enfin la contrainte puits/barrière dans le cas de l‟hétéro-structure quaternaire/quaternaire et dans le cas de l‟hétéro-structure quaternaire/quinaire.

Étude des composés binaires et alliages ternaires d’Antimoniures III-Sb

Propriétés structurales

Les composés binaires III-Sb se cristallisent suivant la structure cubique de type Zinc blende qui est formée par deux sous réseaux cubiques faces centrées décalés l‟un par rapport à l‟autre d‟un quart de la diagonale principale du cube, un de ces sous réseau est constitué d‟atomes de la colonne III alors que l’autre est constitué d‟atomes de la colonne V (atomes d’Antimoine).

Propriétés électroniques:

Pour définir les propriétés électroniques d’un semi-conducteur, il est nécessaire de connaître sa structure de bande qui est représentée dans l’espace réciproque suivant les différentes directions du vecteur d‟onde k . Cette cellule élémentaire du réseau réciproque possède plusieurs directions de haute symétrie. Le voisinage de Γ décrit le centre de zone alors que celui de X ou L indique un bord de zone.

Étude des propriétés des alliages quaternaires Arséniures d’Antimoniures du type (III/III’)-(As/Sb): GaxIn1-xAsySb1-y /AlxGa1-xAsySb1-y

Les alliages quaternaires de type I de la forme III-III’-V-V’ sont très utilisés pour la fabrication des lasers dans le moyen infrarouge. Ceci est dû principalement à la possibilité d’ajuster le gap toute en contrôlant la contrainte entre les semi conducteurs.

Étude des propriétés de l’alliage GaxIn1-xAsySb1-y

➤ Étude de la structure de bande
L‟alliage quaternaire GaxIn1-xAsySb1-y est utilisé pour le puits. À partir de l‟équation I.2, nous avons déterminé la variation de l‟énergie EG du puits GaxIn1-xAsySb1-y .

À partir de cette figure, on remarque que : L‟énergie EG de l‟alliage quaternaire GaxIn1-xAsySb1-y peut être ajustée en jouant sur les deux compositions d‟alliage x et y.

L‟énergie EG de l‟alliage GaxIn1-xAsySb1-y en fonction de la composition en Arsenic présente une forte courbure de bande (fort bowing) qui est dû au fait que la combinaison de plusieurs éléments chimiques se traduit par une perturbation des atomes du réseau, déformation de la maille et déformation de la structure et donc on aura un désordre d‟alliage : certaines compositions d‟alliage ne sont pas accessibles chimiquement. Donc, le matériau peut être fabriqué pour les faibles concentrations en As (0≤y≤30%) et pour les fortes concentrations en arsenic (80%≤y≤100%).

On remarque aussi que : plus on augmente la concentration en gallium, plus l‟énergie EG augmente et la longueur d‟onde diminue.

Donc, on joue sur les deux compositions d‟alliage (x et y), on balaye une large gamme de longueurs d‟onde du moyen infrarouge.

➤ Étude de l‟accord de maille avec le substrat
Pour les matériaux à antimoniures, le composé binaire GaSb est le mieux adapté comme substrat par rapport aux composés InSb et AlSb qui présente l‟inconvénient d‟être chimiquement instables (ils s‟oxydent). GaSb possède plusieurs propriétés:
– Meilleur qualité cristalline ;
– Facile à purifier ;
– Stable chimiquement ;
– Bonne conductibilité thermique.

Étude des propriétés des alliages quinaires Arséniures d’Antimoniures du type (III/III’/III’’)-(As/Sb): AlxGayIn1-x-yAszSb1-z

Les alliages quinaires ont étés élaborés pour améliorer les effets de contraintes et particulièrement le faible confinement des porteurs rencontrés dans les systèmes quaternaires. L‟alliage quinaire AlxGayIn1-x-yAszSb1-z est utilisé pour la barrière sur le puits GaxIn1-xAsySb1-y. Les paramètres énergétiques du quinaire AlxGayIn1-x-yAszSb1-z sont calculés à partir d‟une variation linéaire plus une variation qui tient compte l‟effet du désordre .

Étude de la structure de bande

Nous avons calculé l‟énergie de la bande interdite du quinaire AlxGayIn1-x-yAszSb1-z en fonction de la composition en Arsenic pour différentes compositions en Aluminium et en Gallium .

Étude de l’accord de maille avec le substrat de GaSb

Nous avons étudié l‟alliage quinaire AlxGayIn1-x-yAszSb1-z sur substrat GaSb. La condition de l‟accord de maille avec le substrat GaSb est : a (AlxGayIn1-x-yAszSb1-z)=a(GaSb)

Étude des propriétés des hétéro-structures à base d’Antimoniures

Les hétéro-structures à base d‟Antimoniures présentent un réel potentiel pour la réalisation des lasers à semi-conducteurs dans le moyen infrarouge (2µm-10µm).

Actuellement, les lasers qui se basent sur les hétéro-structures de type I les plus performants sont issus à partir des matériaux quaternaires et des alliages quinaires. Dans cette partie nous faisons une étude comparative de l‟hétéro-structure à barrière quinaire : GaxIn1-xAsySb1-y/AlxGayIn1-x-yAszSb1-z avec l‟hétéro-structure à barrière quaternaire : GaxIn1-xAsySb1-y/AlxGa1-xAsySb1-y.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Étude des Propriétés électroniques des matériaux et des hétéro-structures à base d’Antimoniures III-Sb
I.1. Introduction
I.2. Étude des composés binaires et des alliages ternaires à base d‟Antimoniures
III-Sb
I.3. Étude des propriétés des alliages quaternaires Arséniures d‟Antimoniures du type (III/III‟)-(As/Sb): GaxIn1-xAsySb1-y et AlxGa1-xAsySb1-y
I.3.1. Étude des propriétés de l‟alliage GaxIn1-xAsySb1-y
I.3.2. Étude des propriétés de l‟alliage AlxGa1-xAsySb1-y
I.4. Étude des propriétés des alliages quinaires Arséniures d‟Antimoniures du type (III/III‟/III‟‟)-(As/Sb): AlxGayIn1-x-yAszSb1-z
I.4.1. Étude de la structure de bande
I.4.2. Étude de l‟accord de maille avec le substrat de GaSb
I.5. Étude des propriétés des hétéro-structures à base d‟Antimoniures
I.5.1. Étude du désalignement de bande à l‟interface ou „„band-offset‟‟
I.5.2. Étude des effets de contrainte due au désaccord de maille
I.6. Conclusion
Chapitre II: Étude d’optimisation de lasers de type I à puits quantiques d’alliages Arséniures d’Antimoniures quaternaires/quinaires:GaxIn1-xAsySb1-y/AlxGayIn1-x-yAszSb1-z
II.1. Introduction
II.2. Applications des lasers inter-bandes dans le moyen infrarouge
II.3. Étude du principe de fonctionnement des lasers inter-bandes
II.4. Étude des différents types de lasers inter-bandes
II.5. Étude de la structure laser
II.6. Étude d‟optimisation des paramètres du laser de type I à base de l‟hétérostructure quaternaire/quinaire Ga1-xInxAsySb1-y/ AlxGayIn1-x-yAszSb1-z
II.6.a. Calculs de la longueur d‟onde d‟émission laser
II.6.b. Calculs de la densité de courant de seuil du laser
II.6.c. Calculs du gain laser
II.7. Conclusion
Chapitre III : Étude d’optimisation des lasers de type I à puits quantiques d’alliages Nitrures d’Antimoniures quaternaires/quaternaires : Ga1-xInxNySb1-y/ AlxGa1-xNySb1-y
III.1. Introduction
III.2. Étude des propriétés des Nitrures d‟Antimoniures
III.2.1. Étude des propriétés structurales
III.2.2. Étude des propriétés électroniques
III.2.3. Étude des propriétés de l‟alliage Ga1-xInxNySb1-y
III.2.4. Étude des propriétés de l‟alliage AlxGa1-xNySb1-y
III.2.5. Étude des propriétés de l‟hétéro-structure Ga1-xInxNySb1-y / AlxGa1-xNySb1-y
III.3. Étude d‟optimisation du laser type I à base de Ga1-xInxNySb1-y/ AlxGa1-xNySb1-y
III.3.1. Calculs de la longueur d‟onde d‟émission laser
III.3.2. Gain optique et densité de courant de seuil
III.4. Conclusion
Chapitre IV : Étude d’optimisation des lasers de type II ou Lasers à Cascade Quantique à transition inter-sous-bandes à base de GaxIn1-xAsySb1-y/ AlxGayIn1-x-yAszSb1-z
IV.1. Introduction
IV.2. Étude des Lasers à Cascade Quantique
IV.2.1. État de l’art sur les Lasers à Cascade Quantique
IV.2.2. Principe de fonctionnement des lasers intra-bandes
IV.2.3. Applications des LCQ dans le domaine du THz
IV.3. Transition inter-sous-bandes dans un Puits Quantique
IV.3.1. Les états électroniques
IV.3.2. Règles de sélection
IV.3.3. Taux de transitions (spontanée et stimulée)
IV.4. Émission inter-sous-bandes
IV.4.1. Conditions pour obtenir une inversion de population
IV.5. Optimisation de la structure laser à cascade quantique
IV.5.1. Structure du LCQ
IV.5.3. Gain max du laser
IV.5.4. Densité de courant de seuil
IV.5.4. Gain du laser
IV.6. Conclusion
Chapitre V : Étude comparative des Effets de la non-parabolicité sur les propriétés des lasers de type I et de type II
V.1. Introduction
V.2. Modèle k.P basé sur l‟Hamiltonien [8×8] de Luttinger-Kohn
V.3. Formalisme de Pikus-Bir
V.4. Masse effective non-parabolique de conduction
V.5. Masse effective non-parabolique de valence
V.6. Application aux lasers de type I à base de GaxIn1-xAsySb1-y/ AlxGayIn1-x-yAszSb1z
V.6.1. Masses effectives non-paraboliques de conduction et de valence
V.6.2. Influence de la concentration en arsenic sur les masses effectives
V.6.3. Influence de la non-parabolicité sur le gain max
V.7. Application aux LCQ à base de GaxIn1-xAsySb1-y/AlxGayIn1-x-yAszSb1-z
V.7.1. Effet de contrainte et de non-parabolicité sur la masse effective de conduction
V.7.2. Effet de contrainte et de non-parabolicité sur la force d‟oscillateur
V.7.3. Effet de contrainte et de non-parabolicité sur le temps de transit
V.7.4. Effet de contrainte et de non-parabolicité sur le gain optique
V.8. Conclusion
Conclusion générale