La large bande interdite des semiconducteurs de nitrures d’´el´ements III couvre le spectre du visible, de l’infrarouge `a l’ultraviolet (voir section 1.2.1.2). Les nitrures trouvent donc de tr`es nombreuses applications opto´electroniques, pour l’affichage `a base de diodes ´electrolumi- nescentes ´emettant dans le visible, pour l’augmentation des capacit´es de stockage des supports optiques, grˆace `a la diminution de la longueur d’onde des lasers utilis´es pour la lecture et l’´ecri- ture [Ponce 97].
Les d´efauts sont pr´esents en forte densit´e dans les couches de nitrures. Ces d´efauts sont cr´e´es aux interfaces avec les substrats en raison de contraintes importantes et se propagent verticalement (voir section 1.3.2.4). Ils constituent des centres de recombinaison non radiative pour les porteurs, sources d’´echauffements.
Les porteurs sont confin´es tr`es efficacement dans des nanostructures de nitrures encapsul´ees dans un autre nitrure. Cette efficacit´e s’explique en partie par la profondeur du puits de potentiel que constituent les nanoobjets, constitu´es de GaN, InN ou de leurs alliages avec AlN, et enterr´es dans une matrice dont la bande interdite est bien plus importante, AlN ou ses alliages avec InN et GaN. En outre, pour les nitrures, le rayon de Bohr de l’exciton est petit, de l’ordre de quelques nanom`etres, signe d’une forte localisation dans l’espace, en particulier dans des boˆıtes quantiques, et ´eventuellement sur des d´efauts [Nakamura 98].
Dans les empilements de plans de nanoobjets, InGaN et AlGaN sont pr´ef´er´es `a AlN, qui est isolant (voir section 1.2.1.2). En outre, l’indice optique de ces alliages peut ˆetre ajust´e en jouant sur les rapports Ga/Al et Ga/In [Laws 01]. Le guidage des photons, qui d´epend des valeurs relatives des indices optiques dans le mat´eriau barri`ere et les couches avoisinantes, peut ainsi ˆ
etre optimis´e.
1.1.2.2 Eventail des nanoobjets obtenus
Les premiers nanoobjets `a base de nitrures ont ´et´e obtenus au d´ebut des ann´ees 1990, sous la forme de puits quantiques cristallis´es dans la phase wurtzite selon la direction de croissance [0001]. Au fil des ann´ees, des boˆıtes quantiques, puis des nanofils, ont ´et´e obtenus dans la mˆeme orientation cristalline. A quelques exceptions pr`es, aujourd’hui encore la majorit´e ´ecrasante des
´
etudes concerne le phase cristalline wurtzite, que ce soit selon un plan de croissance (0001), ou selon (11¯20) plus r´ecemment. Les trois paragraphes suivants reprennent les premi`eres r´ealisations de puits quantiques, boˆıtes quantiques et nanofils, sans pr´etention d’exhaustivit´e.
Puits quantiques Dans l’orientation [0001] de la phase wurtzite, des puits quantiques de GaN dans AlGaN sont pour la premi`ere fois obtenus par MOCVD `a basse pression [Khan 90]. Des superr´eseaux de puits quantiques GaN/AlGaN sont obtenus par MOVPE [Itoh 91], puis des puits quantiques d’InGaN de composition variable, par MOCVD [Nakamura 93b]. Dans l’orientation [11¯20], des puits quantiques GaN/AlGaN ont r´ecemment ´et´e synth´etis´es par MBE [Ng 02].
Boˆıtes quantiques Dans l’orientation [0001] de la phase wurtzite, des boˆıtes quantiques de GaN dans AlGaN sont pour la premi`ere fois obtenus par MOCVD [Tanaka 96]. Tr`es rapidement, des boˆıtes de GaN sur AlN sont obtenus par MBE [Daudin 97], puis des boˆıtes d’InGaN sur GaN par la mˆeme technique. Quelques ann´ees plus tard, la MOVPE est utilis´ee pour former des boˆıtes quantiques d’InN sur GaN [Briot 03], puis de GaN sur AlN [Simeonov 06]. Dans l’orientation [11¯20], la croissance de boˆıtes quantiques GaN sur AlN, par MBE, a r´ecemment ´
et´e d´emontr´ee [Founta 05]. Enfin, la croissance de boˆıtes quantiques, selon l’orientation [001] de la phase cubique de boˆıtes quantiques GaN sur AlN, par MBE, a ´et´e pr´esent´ee il y a quelques ann´ees [Martinez-Guerrero 00].
Nanofils La croissance de nanofils de GaN monocristallins dans la phase wurtzite, sur substrat Si, par MBE, et catalys´ee par des nano-goutelettes de Fe, est d´emontr´ee depuis quelques ann´ees [Seo 02].
1.1.2.3 Dopage des nitrures
Les cristaux de GaN poss`edent, en raison de la nature des impuret´es qu’ils renferment, un dopage r´esiduel de type n. Ce dopage est facilement augment´e par l’ajout d’impuret´es donneuses telles que Si. Pour la r´ealisation de jonctions, et pour r´eussir l’injection des porteurs dans les couches de nitrures, le dopage de type p est en outre n´ecessaire. Jusqu’au d´ebut des ann´ees 1990 cependant, toutes les tentatives de dopage p, avec des accepteurs tels que Mg, ont ´et´e infruc- tueuses. Il faut attendre 1989 pour qu’un dopage p soit obtenus, par Mg [Amano 89a], et quelques ann´ees suppl´ementaires pour comprendre et maˆıtriser le processus de dopage [Nakamura 93a].
Outre les applications opto´electroniques, le dopage des nitrures, comme des autres semicon- ducteurs, a ´et´e motiv´e par les applications en spintronique. Dans cette perspective, l’obtention de semiconducteurs magn´etiques dilu´es `a base de nitrures pour (Ga,Mn)N, a permis de mainte- nir des propri´et´es ferromagn´etiques `a temp´erature ambiante [Reed 01]. A ce jour la croissance de boˆıtes quantiques `a base de nitrures magn´etiques n’a pas ´et´e d´emontr´ee, probablement en raison des processus spontan´es de croissance de ces objets. En revanche, au sein de nanofils, la croissance est 2D et donc mieux contrˆol´ee. Ainsi, des nanofils (Ga,Mn)N ont ´et´e synth´etis´es ces derni`eres ann´ees [Radovanovic 05].
R´ecemment enfin, le dopage par des terres rares (Eu, Tu, Tb) de boˆıtes quantiques de GaN a permis d’ajuster la longueur d’onde de la luminescence, ouvrant le voie vers la r´ealisation de diodes ´electroluminescentes rouges, vertes et bleues [Andreev 05, Andreev 06, Hori 06].
1.1.2.4 Applications
Quelques unes des r´ealisations pratiques des nitrures, `a base de puits quantiques, de boˆıtes quantiques, et de fils quantiques, sont donn´ees ci-dessous.
Transistor `a ´electrons de haute mobilit´e L’utilisation de gaz 2D d’´electrons, confin´es dans des puits quantiques AlGaN synth´etis´es par MBE et MOCVD, permet d’obtenir des transistors `a ´electrons de haute mobilit´e fonctionnant `a tr`es haute puissante, particularit´e particuli`erement attractive pour l’´electronique micro-onde [Zhang 00].
D´etection et ´emission infrarouge Au sein mˆeme de la bande de conduction, des transitions ´elec- troniques sont possibles qui correspondent `a la gamme de l’infrarouge, et les longeurs d’onde actuellement utilis´ees pour les t´el´ecommunications par fibres optiques (1,55 µm). Le confine- ment dans des puits quantiques permet de pr´ecis´ement d´efinir la longueur d’onde d’´emission ou d’absorption, et autorise des temps de recombinaison ultra courts [Iizuka 00]. Ainsi, la d´etection `
a temps de r´eponse ultra rapides par des dispositifs `a base de puits quantiques GaN/AlN (voir [Hofstetter 06] par exemple) ouvre une voie vers la transmission `a tr`es haut d´ebit d’information.
Diodes `a base de puits quantiques Des diodes ´electroluminescentes [Nakamura 94, Nakamura 98] et laser [Nakamura 96, Nakamura 97], `a base de puits quantiques InGaN, avec de bons rende- ments opto´electroniques `a temp´erature ambiante, ont ´et´e synth´etis´ees par MOCVD. La longueur d’onde d’´emission de ces diodes, commercialis´ees par la soci´et´e Nichia, est ajustable sur une large gamme du spectre visible et dans l’ultraviolet. Une large pol´emique subsiste aujourd’hui quant `a l’origine des excellents rendements opto´electroniques obtenus `a temp´erature ambiante [Hangleiter 05, Rice 04, Nakamura 98]. De tels rendements indiquent que les porteurs sont confi- n´es dans les trois directions de l’espace, sur des d´efauts par exemple [Nakamura 98], et pas seule- ment dans deux directions, dans les puits quantiques. Par ailleurs, l’´elaboration des diodes laser `
a base de puits quantiques InGaN a ´et´e d´emontr´ee r´ecemment par MBE [Hooper 04]. Jusqu’`a pr´esent, seule l’orientation [0001] de la phase wurtzite a ´et´e utilis´ee. L’orientation [11¯20] devrait dans le futur am´eliorer encore les rendements de luminescence.
Diodes `a base de boˆıtes quantiques Les r´ealisations pratiques se heurtent `a l’heure actuelle `a d’importantes distributions de taille des boˆıtes quantiques. L’´emission stimul´ee par pompage optique a toutefois ´et´e d´emontr´ee il y a quelques ann´ees pour des boˆıtes quantiques de GaN [Tanaka 96]. L’utilisation de boˆıtes quantiques dop´ees par des terres rares devrait conduite `a des diodes ´electroluminescentes ´emettant dans le rouge, le vert et le bleu [Andreev 05, Andreev 06, Hori 06].
Diodes `a base de nanofils Entre autres avantages, les nanofils offrent la possibilit´e d’empiler tr`es r´eguli`erement des nano-disques (des boˆıtes quantiques, en fait !) de taille parfaitement d´e- finie. R´ecemment, une diode `a base de nanofils InGaN/GaN a ´et´e ´elabor´ee sur ce principe [Kikuchi 04, Kim 05]. Pour les nanofils comme pour les boˆıtes, le contrˆole des dimensions et de leurs distributions demeure le point d´elicat.