CHAPITRE 7 Mesures des propriétés électriques et optiques de l’AlGaNAs
7.1 Propriétés électriques de l’AlGaNAs
7.1.1 Méthode expérimentale
Les échantillons ont été crus à 420°C sur des substrats de GaAs semi-isolants, avec un taux de croissance de 1.3 µm/h. Le TEGa, l’AsH3 précraqué et le DMHy ont été utilisés
comme précurseurs de Ga, d’As et de N respectivement. Le TMA et le diméthyléthylamine alane (DMEAA) ont été utilisés comme source d’Al. Dans la chambre une pression inférieure à 10-4 Torr était assurée pendant la croissance tandis que l’échantillon était maintenu en rotation à ~30 rpm pour obtenir une meilleure homogénéité des couches. Toutes les sources gazeuses ont été utilisées simultanément. Les flux de TEGa et d’AsH3
ont été maintenus constants tandis que les flux de DMHy et des précurseurs d’Al ont été ajustés pour varier les concentrations de N et d’Al. Les couches d’AlGaNAs et d’AlGaAs crues avec le TMA et les couches de GaNAs ont une épaisseur de 5 µm tandis que les couches d’AlGaNAs avec DMEAA ont une épaisseur de 3 µm. Pour l’étude du recuit, un RTA a été effectué pendant 60 s sous N2 à des températures de 550°C, 650°C, 750°C et
7.1.2 Caractérisation de la mobilité
Les valeurs de la concentration de porteurs, la mobilité et la résistivité mesurées par Effet Hall sur les échantillons d’alliages nitrures dilués sont présentées dans le Tableau 7-1.
Tableau 7-1: Densité de porteurs, mobilité et résistivité mesurées sur des échantillons de GaAs, de GaNAs et d’AlGaNAs crus avec deux sources d’Al différentes et deux types de substrats.
En comparant le GaN0.004As0.996 et l’Al0.05Ga0.95N0.004As0.996 crû avec le TMA, nous
nous apercevons que la densité de porteurs de la couche avec Al est plus élevée d’un ordre de grandeur. Il est à noter qu’il est difficile de discuter des résultats étant donné que la mobilité diminue quand le dopage de la couche augmente [185]. Par ailleurs, on peut voir que la mobilité est réduite d’environ 50 % tandis que la densité de porteurs diminue d’un
Alliage Densité de porteurs (cm-3) μ (cm 2/Vs) ρ (Ω·cm) Type de porteurs GaAs 9×1015 313 2 Trous GaN0.004As0.996 7×1016 95 0.90 Trous Source d’Al- TMA
Al0.05Ga0.95As 9×1018 60 0.01 Trous
Al0.05Ga0.95N0.004As0.996 1×1018 30 0.20 Trous Source d’Al- DMEAA
Al0.05Ga0.95N0.005As0.995
Substrat-GaAs (001) 1×1012 - - Électrons
GaAs 6° vers [111]B 1×1012 - - Électrons
Al0.10Ga0.90N0.02As0.98
Substrat-GaAs (001) 1×1014 - - Électrons
ordre de grandeur en présence de N pour les échantillons d’Al0.05Ga0.95N0.0035As0.9965 et
d’Al0.05Ga0.95As crus avec le TMA. Ceci suggère la formation de pièges pour les porteurs et
de centres de diffusions reliés au N.
L’échantillon d’Al0.05Ga0.95As révèle une concentration de 9×1018 cm-3, démontrant
que le fort dopage des couches est dû à la présence d’Al et non de N. En effet, le TMA, qui est connu pour engendrer une forte contamination en C et donc un dopage élevé des couches, est utilisé comme source d’Al. Il faut donc utiliser une source d’Al plus adéquate pour réduire la contamination en C. Le DMEAA, déjà bien connu pour réduire cette concentration dans les couches d’AlGaAs, a été choisi comme source alternative pour les autres échantillons [190–193].
Les échantillons d’AlGaNAs crus avec le DMEAA démontrent des densités de porteurs comprises entre 1012 et 1014 cm-3. Les couches sont donc complètement déplétées, d’après le tableau de la Ref. [164] p. 47. Ceci est dû à l’effet combiné de défauts profonds dans le volume qui piègent les porteurs et réduisent la densité de porteurs dans la couche, et la déplétion due aux états de surfaces. Pour cette raison, des mesures Effet Hall précises n’ont donc pas pu être obtenues sur ces échantillons. Les faibles densités de porteurs mesurées ici suggèrent la formation de défauts, peut-être des complexes N-C ou N-Al-C, qui piègent les impuretés et réduisent le dopage mesuré. À ce stade, il est difficile d’identifier plus précisément la nature de ce phénomène.
Pour tenter d’améliorer la qualité des couches d’AlGaNAs crues avec le DMEAA, l’effet du recuit a été étudié.
7.1.3 Effet du recuit sur la mobilité de l’AlGaNAs
Pour améliorer la qualité des couches, nous avons fait des recuits sur les échantillons d’AlGaNAs crus avec le DMEAA. Les résultats de cette étude sont résumés dans le Tableau 7-2. Après le recuit, les échantillons d’Al0.05Ga0.95N0.005As0.995 crus sur
substrat de GaAs semi-isolant (001) atteignent des mobilités de 60 cm2/Vs pour une densité de porteurs de type-p de 1×1018 cm-3. Lors du recuit, nous passons rapidement de très peu de porteurs libres à une couche fortement type-p. Ceci veut dire que les défauts structuraux se réparent et libèrent les trous piégés, remettant alors des trous libres dans le volume. Pour le substrat avec un miscut, le même phénomène est observé. Nous pouvons aussi noter que
l’utilisation du substrat avec un miscut de 6° permet d’augmenter la mobilité à 70 cm2/Vs pour la même densité de porteurs, ce qui est en accord avec la théorie que nous avons vu dans la section 0 [150].
Tableau 7-2: Effet du recuit sur la densité de porteurs, la mobilité et la résistivité des échantillons d’AlGaNAs crus avec le DMEAA
Température de recuit (°C) Densité de porteurs (cm-3) μ (cm 2/Vs) ρ (Ω·cm) Type de porteurs Al0.05Ga0.95N0.005As0.995 GaAs SI (001) 550 1×1012 - - Électrons 650 1×1018 20 0.4 Trous 750 1×1018 60 0.03 Trous 850 1×1019 60 0.02 Trous GaAs 6° vers [111]B 550 1×1012 - - Électrons 650 1×1017 60 0.4 Trous 750 1×1018 60 0.05 Trous 850 1×1018 70 0.02 Trous Al0.10Ga0.90N0.02As0.98 GaAs SI (001) 550 1×1015 9 100 Électrons 650 1×1016 7 40 Trous 750 1×1017 6 3 Trous 850 1×1016 6 20 Trous GaAs 6° vers [111]B 550 1×1014 - - Électrons 650 1×1014 - - Électrons 750 1×1015 8 700 Électrons 850 1×1017 0.2 400 Électrons
Pour l’échantillon d’Al0.10Ga0.90N0.02As0.98, où les concentrations d’Al et de N sont
plus élevées que dans les échantillons précédents, nous voyons que la variation dans la densité de porteurs lors du recuit est moins prononcée que dans l’Al0.05Ga0.95N0.005As0.995, et
la mobilité est très faible, même après le recuit. Si nous supposons que le dopage est dû à l’Al, et les défauts à la présence de N, nous pouvons dire que la couche est plus difficile à
réparer par recuit à cause plus grand nombre de défauts. Cette interprétation est appuyée par les faibles mobilités mesurées ici. Les mesures prises sur les couches crues sur le substrat avec un miscut, peuvent être interprétées en disant que la couche piège les trous. Lors du recuit, les pièges à électrons se réparent plus vite que les pièges à trous, ce qui fait apparaître les électrons résiduels avant les trous résiduels, expliquant ainsi l’augmentation de la densité de porteurs de type-n. Ceci indique également que cette couche est de mauvaise qualité.
Les mobilités obtenues ici sont comparées avec les mesures rapportées dans la littérature sur le GaNAs crû par MBE, CBE et MOCVD (Figure 7.1) [15,50,53,54,138]. Les mobilités de nos échantillons d’Al0.05Ga0.95N0.005As0.995 crus avec le DMEAA sont
environ 50 % plus faibles que celles rapportées dans la littérature sur le GaNAs par CBE, MBE et MOVCD pour la même concentration de N (Figure 7.1(a)) et le même bandgap (Figure 7.1(b)).
Pour les échantillons d’Al0.10Ga0.90N0.02As0.98, la mobilité est très faible, avec une
valeur de 6 cm2/Vs pour une densité de porteurs de 1×1016 cm-3 sur substrat de GaAs semi-
isolant (001). Cependant, d’après la Figure 7.1, cette valeur suit la tendance prédite par la littérature. Par ailleurs, quand le substrat avec un miscut est utilisé, la mobilité diminue
Figure 7.1: Mobilités en fonction (a) de la concentration de N et (b) de la bande interdite obtenues sur nos échantillons (formes vides) de GaNAs (triangles), d’AlGaNAs crus avec TMA (cercles) et avec DMEAA (triangles inversés), comparées aux mobilités rapportées dans la littérature (formes pleines) par MOCVD (carrés), MBE (cercles) et CBE (triangles).
d’un ordre de grandeur, jusqu’à atteindre une valeur de 0.2 cm2/Vs pour une densité de porteurs de 1×1017 cm-3, au lieu d’augmenter. L’origine de ce phénomène est encore inconnue, mais à cette concentration de N, le substrat avec un miscut semble faciliter la formation de centres de diffusion réduisant la mobilité du matériau.
Les échantillons crus avec le DMEAA atteignent des mobilités supérieures à celles des échantillons crus avec le TMA pour les mêmes concentrations de N et d’Al et le même dopage. On constate que le DMEAA est une meilleure source d’Al.
D’autre part, en comparant notre GaNAs et notre AlGaNAs avec des concentrations de N de 0.5 %, on observe que la mobilité est plus faible dans les alliages avec Al. Or, ceci pourrait être causé par la densité de porteurs élevée des couches avec Al [185]. La forte densité de porteurs suggère une forte concentration de C dans les couches. Ceci pourrait être dû à une contamination des couches durant la croissance. Les performances électriques des couches d’AlGaNAs pourraient être améliorées en utilisant d’autres sources d’Al ou de N ou en optimisant les paramètres de croissances pour réduire le C dans les couches.