La spectroscopie modulée : les travaux de Kudrawiec, Motyka et coll

Les travaux de Kudrawiec, Motyka et coll. (44, 47) sont importants puisqu’ils sondent des antimoniures avec et sans arsenic, pour une même concentration d’indium et sont étudiés par spectroscopie modulée, ce qui permet d’observer plusieurs niveaux. Un échan- tillon d’In0.22Ga0.78Sb a été étudié par phototransmission modulée et photoluminescence.

Dans une autre étude, des puits quantiques d’In0.24Ga0.76Sb ont été étudiés par réfectance

photomodulée (PR). En traitant le signal pour enlever une oscillation enveloppe, plusieurs niveaux sont observables pour différentes largeurs de puits quantiques (voir figure 1.24) (47).

La force de cette technique optique réside dans le fait que plusieurs niveaux sont observables (directs 11H, 22H et 1L indirect) et que, suite à des simulations, l’accord des différents niveaux apporte plus de poids aux paramètres trouvés. Dans le cadre de cette étude, leur simulation se fait en ajustant le décalage des bandes de conduction. Le décalage optimal pour cet échantillon est entre 80 et 85 % (∆Ec/(∆Ec + ∆Ev)) de la

Figure 1.24 – Réflectance photomodulée de puits quantiques d’In0.24Ga0.76Sb de diffé-

rentes largeurs à droite (signal brut en (a), signal enveloppe en (b) et signal corrigé en (c)) et traitement des données brutes pour isoler le signal à gauche (47), où la notation nmL/nmH signifie la recombinaison entre le niveau électronique n et de trou m (L pour trou léger et H pour trou lourd) si le niveau m existe.

différence d’énergie de bande interdite entre le ternaire et le GaSb, tel que montré à la figure 1.25.

Figure 1.25 – Niveaux énergétiques simulés en fonction du décalage de bandes de conduc- tion et mesures expérimentales à gauche, alignement de bandes contraintes et relaxées à droite (47).

Les auteurs ne s’avancent pas sur l’alignement de bande des binaires. Toutefois, le décalage de bandes de valence contraintes de 94 meV est supérieur à la valeur prédite par Donati et coll. (81) d’environ 50 meV pour une composition de 24 % d’indium.

Enfin, le même groupe (45, 46) a étudié par réflectance électromodulée sans contact (CER) un puits quantique d’In0.24Ga0.76As0.08Sb0.92 en fonction de la largeur de celui-ci.

Ils ne le mentionnent pas dans leurs articles, mais aucun traitement n’est fait au signal en ce qui concerne une oscillation enveloppe du spectre. Il est possible de penser que de passer de la réflectance photomodulée à la réflectance électromodulée sans contact règle ce problème.

En utilisant la même méthode pour rendre compte de leurs résultats, ils obtiennent un décalage de bande de conduction de 90% pour le quaternaire non contraint et 72% en pre- nant en compte les effets de contrainte. La figure 1.26 montre les résultats expérimentaux et la modélisation pour le puits le plus large.

Figure 1.26 – Niveaux énergétiques simulés en fonction du décalage de bandes de conduc- tion et mesures expérimentales du puits quantique le plus large à droite, mesures expé- rimentales pour les trois puits à gauche (10 nm en (a), 16 nm en (b) et 21 nm en (c)) (45).

Figure 1.27 – Alignement des bandes de l’In0.24Ga0.76As0.08Sb0.92 contraint et relaxé

(45).

Il est à noter que les effets de contrainte de cisaillement appliqués à la bande de trous légers sont incomplets (46) lorsque comparés avec le modèle de Pikus et Bir (50). Toutefois, ils n’associent aucun niveau observé à une transition liée à ces trous. L’alignement des bandes, selon les auteurs, est celui présenté à la figure 1.27 et ne propose pas d’alignement de bande des binaires. La tendance générale, soit une baisse en énergie des bandes et une diminution des effets de contraintes avec l’augmentation de la composition d’arsenic, a du sens puisque les bandes de matériau contenant de l’arsenic sont beaucoup plus basses en énergie, par l’ajout d’arsenic, le matériau est moins contraint en compensant l’indium.

1.4

Conclusions

D’un point de vue énergétique, il est possible de calculer l’énergie de bande interdite des alliages III-V, mais l’alignement des bandes de valence de ceux-ci ne fait pas l’unanimité. D’ailleurs, plusieurs études observent l’alignement de bande pour une composition donnée, ce qui pousse à extrapoler les positions des bandes des binaires. Une méthode novatrice sera donc construite afin de se baser sur la position énergétique des bandes de valence des binaires pour obtenir l’alignement des alliages.

Bien que le GaSb soit étudié depuis longtemps, sa croissance est difficile à réaliser et ce matériau est souvent marqué par une forte concentration de défauts liés au gallium. Aussi, peu d’études concluantes existent sur l’incorporation d’indium dans le GaSb par MBE, celle-ci demandera donc d’être documentée. De plus, l’indium a tendance à sé- gréguer dans le GaAs ce qui permettra de modéliser les interfaces GaSb/InGaSb/GaSb. Enfin, quelques études montre la dépendance d’incorporation d’arsenic dans le GaSb, mais lorsqu’il s’agit d’As2. Cette thèse étudiera en détails l’incorporation d’arsenic pour des

2

Théorie et concepts de base

Ce chapitre se consacre à développer les notions théoriques générales permettant de comprendre les calculs menant aux prédictions énergétiques des matériaux qui se- ront étudiés dans cette thèse. D’abord l’énergie de bande interdite, puis les effets ther- miques et élastiques. Le calcul de la masse effective des porteurs suivra afin d’être com- binée à l’alignement des bandes pour calculer les niveaux confinés d’une hétéro-structure d’InxGa1-xAsySb1-y contraint sur GaSb.

2.1

Calculs de l’énergie de bande interdite d’In

Ga

As

Sb

Au chapitre 2, il a été montré que plusieurs méthodes sont utilisées afin de calculer l’énergie de bande interdite des alliages III-V. La méthode proposée par Glisson (48) est celle qui colle le mieux aux résultats expérimentaux lors de l’incorporation d’arsenic dans l’InxGa1-xAsySb1-y. L’équation 2.1 a été élaborée en pondérant chaque binaire en fonction

des compositions x et y et en utilisant les paramètres de courbures des ternaires considérés.

GABCD(x, y) = (1 − x)(1 − y)GBD+ x(1 − y)GAD+ y(1 − x)GBC + xyGAC

− (1 − x)(1 − y)[xCABD + yCBCD] − xy[(1 − x)CABC+ (1 − y)CACD]. (2.1)

Cette équation donne exactement les mêmes résultats que l’équation 1.4 et sera uti- lisée pour calculer toutes les grandeurs physiques des quaternaires. La figure 2.1 montre l’énergie de bande interdite de l’ensemble des alliages d’InxGa1-xAsySb1-y non contraints

Figure 2.1 – Énergie de bande interdite en fonction des compositions x et y d’un alliage d’InxGa1-xAsySb1-y à 0 K selon l’équation 2.1.

Binaire GaAs InAs GaSb InSb

α (meV/K) 0.5405 0.276 0.417 0.32

β (K) 204 93 140 170

Tableau 2.1 – Paramètres α et β suggérés par Vurgaftman permettant de calculer l’énergie de bande interdite en fonction de la température selon l’équation 2.2 (7).