Propriétés des ternaires AlGaN et InGaN

La connaissance des propriétés des alliages et la maitrise de leur croissance sont des objectifs impératifs pour le développement de nouveaux dispositifs, précisément dans le domaine de l’UV lointain.

L’alliage AlxGa1-xN sert souvent de barrière de confinement dans les structures optoélectroniques à base de nitrures. Pour développer de nouveaux dispositifs, il faut connaitre les propriétés de cet alliage et maîtriser sa croissance.

Vu que la mobilité des atomes d’Al en surface est plus faible que celle des atomes de Ga, la croissance de l’alliage d’AlxGa1-xN est relativement complexe.

L’alliage InxGa1-xN est essentiel pour reconstituer la lumière bleue dans les diodes lasers et électroluminescentes.

Certaines propriétés P comme le paramètre de maille, la polarisation et les constantes piézoélectriques, peuvent être déduites par interpolation linéaire suivant la loi de Vegard.

Pour le ternaire InGaN: P (InxGa1-xN) = x P(In) + (1-x) P(Ga)

Et respectivement pour AlGaN : P (AlxGa1-xN) = x P(Al) + (1-x) P(Ga)

1.3. Evolution du gap d’énergie

A partir des valeurs des bandes interdites des composés binaires GaN, AlN et InN, il est possible de déterminer la valeur du gap des ternaires AlGaN et InGaN en utilisant la loi de Vegard.

Eg(AlxGa1-xN) = x Eg(AlN) + (1-x) Eg(GaN) - x(1-x)C

Où C est le paramètre d’inclinaison plus connu sous le nom de bowing parameter. Il représente la non linéarité de l’énergie du gap en fonction de la composition.

AlGan a reçu le plus d’attention des alliages de la famille des nitrures-III, en raison de son potentiel d’applications en hétérostrucure AlGaN/GaN. [12]

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1.1.1. Variation du gap d’AlxGa1-xN en fonction de x

Figure -25- Gap d’énergie des structures AlxGa1-xN et GaxAl1-xN en fonction de X. 1.1.2. Variation du gap d’ InxGa1-xN en fonction de la fraction de mole In

Figure -26- Variations du gap d’énergie d’une structure hexagonale InxGa1-xN en fonction de X.

Les composés ternaires permettent d’obtenir une large gamme énergétique de gaps avec une faible variation des paramètres de maille. Ainsi le contrôle de la composition x de ces composés permet de construire des hétérostructures, puits quantiques voire des super réseaux donnant naissance à des propriétés électro-optiques intéressantes pour les composants optoélectronique. [13]

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1.2. Concentration d’électrons en fonction de la température dans In

1-xGaxN

On observe que la concentration d’électrons augmente avec la fraction de Ga dans In1-xGaxN, cependant cette concentration est très peu dépendante de la

température entre 77 à 300 K.

Figure -27- Concentration des électrons dans une structure In1-xGaxN en fonction de la température.

1.3. Vitesse de saturation des alliages

Comme le montre la figure ci-dessous ; la vitesse de saturation del’AlxGa1-xN augmente -indépendamment de la température- avec l’augmentation de la fraction de mole Al.

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Figure -29- Vitesse de saturation des électrons dans InxGa1-xN, en fonction de la fraction de mole In.

De même pour l’InGaN, la figure nous montre que la concentration de dopage influe peu sur la vitesse de saturation.

1.4. Mobilité

En augmentant la concentration d’Al dans AlxGa1-xN la mobilité des électrons chute comme le montre la figure ci-dessous.

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La mobilité des porteurs libres dans l’ In1-xGaxN est présentée dans la figure ci-dessous avec x la concentration du Ga. On observe que la mobilité diminue avec la concentration du Ga.Ce ci est dû à deux facteurs :

- L’augmentation de la masse effective des électrons avec l’augmentation de la concentration du GaN dans l’In1-xGaxN.

- L’augmentation du phénomène de diffusion des porteurs à cause de l’alliage et des défauts qui augmentent avec la concentration du GaN dans l’ In1-xGaxN.

Figure -31-Mobilité des porteurs libres dans In1-xGaxN en fonction de la température.

On observe également que la mobilité est totalement indépendante de la température.

1.5. Indice de réfraction

Les mesures des indices de réfraction des ternaires AlxGa1-xN et InxGa1-xN sont importants pour la conception des diodes électroluminescentes et lasers.

Les 3 figures ci-dessous représentent respectivement les variations des indices de réfraction des structures AlxGa1-xN ; InxGa1-xN et AlxIn1-xN en fonction de x.

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Figure -32- Indices de réfraction des structures AlxGa1-xN.

Figure -33- indices de réfraction des structures InxGa1-xN.

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1.6. Variation de la longueur d’onde émise par InxGa1-xN en fonction de x

InGaN est beaucoup étudié pour la fabrication de dispositifs optiques telles que les diodes lasers et les diodes électroluminescentes pouvant émettre la lumière verte et bleue.

Comme le montre la figure ci-dessous ; la longueur d’onde augmente avec la fraction de mole In. Elle est de 380 nm pour x=0 et de 660 nm pour x=1. Elle est inversement proportionnelle à la variation du gap.

Figure -35- Variations de la longueur d’onde émise par InxGa1-xN en fonction de x.