Défauts et/ou impuretés dans les matériaux à temps de vie courtcourt

Nous avons vu dans la section précédente que pour obtenir un matériau à temps de vie court, il faut introduire des centres de recombinaisons dans la bande interdite pour augmenter le nombre de recombinaisons.

Dans cette section, nous allons voir les deux méthodes principalement utilisées pour créer ces centres. La première consiste à introduire des impuretés dans la maille cristalline alors que la deuxième consiste à créer des défauts au sein du réseau cristallin. Dans les deux cas, les défauts/impuretés peuvent être introduits pendant la croissance du matériau ou après, par

implantation (impuretés) ou irradiation (défauts cristallins). 2.1.1.1 Défauts de type impuretés

Dans le cas de l’InGaAs, les impuretés utilisées sont généralement des métaux de transi-tion qui se comportent comme des accepteurs, ce qui permet de compenser la concentratransi-tion de donneurs intrinsèquement présente. En pratique, on utilise des atomes de fer qui est un élément très peu utilisé dans les bâtis de croissance. C’est pour cela que cette technique d’introduction des impuretés pendant la croissance est peu utilisée, contrairement à l’im-plantation pour la réalisation de matériaux à temps de vie court.

Dans le cas de l’implantation, le semiconducteur est bombardé par des ions qui entrent en collision avec les atomes du réseau cristallin[9]. Si l’ion a une énergie supérieure à une énergie seuil E0, l’atome percuté quitte son emplacement dans la maille cristalline et laisse derrière lui un site vacant appelé lacune. Ce mécanisme se reproduira avec un autre ion/atome tant que son énergie cinétique sera supérieure à E0. Au final, nous retrouverons 3 types de défauts (figure 2.6) dans le réseau cristallin :

– un site vacant appelé lacune

– un atome remplaçant un autre atome dans la maille cristalline appelé site

substitution-nel

– un atome entre deux autres atomes de la maille : défaut interstitiel

Les ions s’arrêtent dans le matériau à une certaine profondeur une fois que toute l’énergie cinétique de départ est dissipée et constituent des impuretés dans le matériau. Un recuit est généralement nécessaire pour recristalliser le matériau.

L’implantation d’ion fer permet de compenser les niveaux donneurs (puisqu’ils constituent des niveaux accepteurs) et donc d’augmenter la résistance d’obscurité. On obtient ainsi des temps de vie de l’ordre de 0,3ps et une résistance d’obscurité de l’ordre de la centaine Ωcm[10] après recuit à 600℃.

2.1.1.2 Défauts de type cristallin

L’irradiation permet de créer des défauts cristallins ponctuels dans le semiconducteur après croissance. Ces défauts introduisent également des niveaux dans la bande interdite qui permettent de compenser le dopage intrinsèque du matériau. Contrairement à l’implantation, les ions utilisés pour le bombardement (Br+ ou Au+) sont suffisamment énergiques pour traverser entièrement le matériau. La nature chimique des éléments n’a alors que très peu d’importance contrairement à leur masse. Plus leur masse est importante et plus on verra apparaître des amas de défauts.

a) Réseau cristalin de GaAs b) Lacune de gallium

c) Arsenic en site substitutionnel d) Arsenic en site interstitiel

Fig. 2.6 – Défauts dans la maille cristalline de GaAs. En bleu, atomes de gallium, en rouge atomes d’arsenic.

L’InGaAs irradié, par rapport à l’InGaAs implanté, a l’avantage d’avoir une meilleur mobi-lité de porteurs puisque seuls les défauts de structures cristallines sont présents. Avec cette technique il est possible d’atteindre des temps de vie de 200fs avec une résistance d’obscurité de 5 Ω·cm[11]

L’autre possibilité est d’introduire des défauts cristallins pendant la croissance. Dans le cas du GaAs-BT, ces défauts sont sous la forme de lacunes de gallium, d’arsenic en sites interstitiels et d’arsenic en sites substitutionnels (figure 2.6).

Look et al [12] ont développé un modèle présenté sur la figure 2.7 pour expliquer la haute résistivité du GaAs-BT. D’après ce modèle, les défauts liés aux atomes d’arsenic en sites sub-stitutionnels de concentration Ndd sont des donneurs profonds situés au milieu de la bande interdite. Ces donneurs vont être partiellement ionisés par un mécanisme de compensation

qui intervient avec les accepteurs. Ces accepteurs sont des lacunes de gallium de concentration Nda en plus des accepteurs naturels de GaAs comme le carbone. Ainsi les porteurs résiduels

Fig. 2.7 – Diagramme de dispersion E(k) du GaAs-BT avec les niveaux énergétiques des défauts.

dans la bande de conduction se recombinent avec les donneurs ionisés. Le niveau de Fermi est donc pratiquement bloqué au milieu de la bande interdite. La concentration des porteurs libres est alors très faible ce qui expliquerait la haute résistivité du GaAs-BT.

Les défauts introduits par la croissance à basse température ne sont thermiquement pas stables. Pour stabiliser la couche, un recuit après croissance est effectué. Dans le cas du GaAs-BT, ce recuit met en jeu plusieurs processus.

Dans un premier temps, les atomes d’arsenic intersticiels plus mobiles à ces températures diffusent dans la maille du cristal pour former des précipités d’arsenic[13]. Ce processus se poursuit jusqu’à épuisement des atomes d’arsenic en sites interstitiels. Enfin, les derniers ASi

se recombinent avec les lacunes de gallium.

Le temps de vie des matériaux épitaxiés à basse température est typiquement de l’ordre de la picoseconde. Dans le paragraphe précédent, nous avons vu le mécanisme de compensation qui permet d’obtenir une grande résistivité. Nous allons maintenant voir que les centres de recombinaison sont aussi responsables du temps de vie court que nous mesurons dans ce type de matériau. La dynamique de recombinaison est illustrée sur la figure 2.8.

Un photon est absorbé par un électron de la bande de valence et lui cède suffisamment d’éner-gie pour que l’électron se retrouve dans la bande de conduction. Plus l’énerd’éner-gie du photon est importante et plus l’électron va se retrouver haut dans la bande de conduction. Un mécanisme

Recombinaison des électrons Thermalisation des électrons Recombinaison des trous τ τ τ 1