Etude du GaN de type p à travers les caractéristiques de jonctions p-n.
2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 Bord de bande
IV.2. La jonction p-n : cas particulier des nitrures.
Dans un premier temps, nous allons faire un bref rappel sur la jonction p-n appliquée au cas particulier des nitrures. Une jonction p-n est composée d’un matériau de type n (excédent de donneurs) et d’un matériau de type p (excédent d’accepteurs). Dans le cas idéal, tous les dopants sont ionisés et le nombre d’atomes donneur ND ou accepteur NA est identique au
nombre de porteurs (électrons n ou trous p). Le courant est essentiellement de diffusion (courant idéal). Les recombinaisons se font donc à la fois dans le GaN de type n et dans le GaN de type p. Le problème principal des jonctions p-n nitrures est le dopage p. Le niveau d’ionisation de l’atome de Mg étant profond (EIonisation ~ 200meV [18]), tous les atomes ne
sont pas ionisés à 300K (NA > p). Il faut donc un fort dopage d’atomes de Mg pour obtenir
une conductivité de type p. En effet, le niveau de Fermi baissant avec le nombre de dopant de type accepteur, plus le nombre d’atomes de Mg est grand et plus le nombre d’atomes ionisés est grand. Cela a été confirmé par les travaux de M.G. Cheong et al., la concentration en trous augmente avec la température ou la concentration en atomes de Mg [20]. En revanche, trop d’atomes de Mg peut conduire à un phénomène d’auto-compensation, le matériau devenant isolant du fait de l’augmentation de la formation de lacunes d’azote (VN) et/ou de complexes
MgVN ou Mg2VN [21][22] avec la diminution du potentiel chimique (énergie de Fermi) du
GaN reliée à l’augmentation de la concentration en atomes de Mg. Cela peut aussi être dû aux PIDs évoquées précédemment [14]. En EPVOM, ce phénomène apparaît typiquement pour des concentrations en atomes de Mg supérieures à 2.1019at/cm3 [21].
Dans le cas du GaN de type n, l’énergie d’ionisation des atomes de Si étant faible (EIonisation ~
30 meV ~kT à 300K [18]), nous avons ND ~ n.
La jonction est le siège d’un champ électrique résultant de la présence de charge + et -. En effet, dans cette zone, les niveaux donneurs et accepteurs se trouvant sous le niveau de Fermi, tous les atomes seront ionisés. Cette zone, appelée aussi zone de charge d’espace W (Wn pour
W
Wn
Wp
n
p
EFp EFnBC
BV
Lp
Ln
+ -W
Wn
Wp
n
p
EFp EFnBC
BV
Lp
Ln
+ + --Elle est représentée sur la figure 4. La zone de charge d’espace s’étend ainsi d’avantage dans la région la moins dopée.
Figure 4 : Schéma de bande d’une jonction p-n à l’équilibre thermodynamique. EFn (EFp) est le
quasi-niveau de Fermi dans le type n (p). BC est la bande de conduction, BV, la bande de valence. W est la zone de charge d’espace, W = Wn + Wp. Ln (Lp) est la longueur de diffusion
des électrons (trous).[18]
Dans notre cas, NA > ND, la zone de charge d’espace s’étendra donc principalement dans la
région de type n. La largeur de la zone de charge d’espace dans le GaN de type n et le GaN de type p à tension appliquée nulle est donnée par :
W
n² = 2εV
d/(eN
d(1+N
d/N
a))
W
p² = 2εV
d/(eN
a(1+N
a/N
d))
avec Vd, la tension de diffusion, e, la charge de l’électron, et ε, la constante diélectrique du
semi-conducteur.
La tension de diffusion est la différence de potentiel entre la région neutre du type p et la région neutre du type n et est donnée par :
V
d= (kT/e)ln(n
0p
0/n
i²)
, n0 et p0 représentant lesconcentrations à l’équilibre en électrons et en trous dans les régions neutres respectivement, et ni étant la densité de porteurs intrinsèques.
Typiquement, la concentration en électrons est de l’ordre de 3.1018/cm3 pour une concentration en atomes de Si de 3.1018at/cm3 alors que la concentration en trous est de l’ordre de 1.1017/cm3 pour une concentration en atomes de Mg supérieure à 1.1019at/cm3. Cela nous donne des largeurs de zone de charge d’espace à tension appliquée nulle de l’ordre de
29nm pour le type n et de 9nm pour le type p. La jonction est donc d’autant plus dissymétrique que le dopage en atomes de Mg est important.
Lors de l’application du courant, les électrons vont venir compenser les donneurs ionisés D+, ce qui va abaisser le champ électrique. A l’équilibre, les électrons, sous l’effet de la tension appliquée, vont diffuser dans la zone de type p. A l’inverse, les trous vont diffuser dans la zone de type n. La différence de potentiel entre la région de type n et la région de type p est : Vn - Vp = Vd – Va, où Va est la tension de polarisation. Pour des tensions inférieures à 3,5V, la
zone de charge d’espace existe et Va = V, où V est la tension appliquée aux bornes de la
jonction, car, dans ce domaine, on peut négliger les résistances dues aux zones neutres (résistivité GaN de type n, GaN de type p). La hauteur de barrière est alors : e(Vd – V). Au
delà de 3,5V, c’est le domaine de la résistance série et le courant est dominé par la résistivité des couches de type n et de type p, ainsi que des résistances de contacts. Dans notre cas, d’après L. Hirsh et al. [23], la faible mobilité des trous (µp ~ 1 cm²/V/s et µn ~ 200cm²/V/s) va
limiter la probabilité de franchissement de la barrière de potentiel présente à la jonction. La principale limitation au transport du courant est donc reliée à l’injection des trous pour V<3,5V. Dans le domaine de la caractéristique courant-tension dominée par les effets de la résistance série, la résistivité du GaN de type p étant plus grande que celle du GaN de type p, c’est la zone de type p qui contrôle le courant [23].
L’intensité d’électroluminescence (EL) due aux recombinaisons radiatives dans la zone de type p sera d’autant plus importante que le GaN de type p sera de bonne qualité optoélectronique, c’est à dire si la concentration en trous est suffisamment grande et si le dopage n’induit pas trop de défauts susceptibles de jouer le rôle de centres de recombinaisons