Etude des propriétés optiques dans l'infrarouge lointain des hétérostructures à base de semi conducteurs Gaas/ Algaas modèle de la fonction diélectrique

Chapitre I : Généralités sur les semi-conducteurs : III-V

(GaAs/GaAlAs), et ses hétérostructures

I-1). Introduction:

Depuis les premiers travaux en 1970 de L. Esaki et R. Tsu [I-1] sur les couches minces semi-

conductrices (GaAs, AlAs, &) et grâce à l~évolution de la nanotechnologie, la recherche fondamentale sur les propriétés de ces semi-conducteurs et ses applications pour les hétérostructures semi-conductrices III-V a bien avancée.

Cependant, dans ce chapitre, nous allons définir et exposer quelques propriétés des semiconducteurs de III-V en particulier les composés GaAs, GaAlAs, afin d~arriver à la définition et la fabrication de ses hétérostructures. Puis nous présenterons certains domaines industriels dans lesquels ces matériaux sont employés ainsi que les progrès technologiques qu~ils restent à faire pour développer encore leurs utilisations.

I-2). Les matériaux semi-conducteurs III-V (GaAs, GaAlAs) massifs:

Les matériaux semi-conducteurs III-V sont des matériaux composés formés à partir d'un élément de la 3^eme colonne (Ga ou Al) et d'un élément de la 5^eme colonne (As) de la classification périodique de Mendeleïev.

Parmi tous les composés binaires possibles, tous n~ont pas le même intérêt potentiel. Tel que l~étude de leurs propriétés, et en particulier de la structure des bandes, montre que les éléments les plus légers donnent des composés à large bande interdite, dont les propriétés se rapprochent de celles des isolants, et à structure de bande interdite. Les composés incluant du bore, de l'aluminium, ou de l'azote, et le phosphure de gallium entrent dans cette catégorie, ils ont en général peu d~intérêt pour l~électronique rapide qui demande des semi-conducteurs à forte mobilité de porteurs, ou pour l~optoélectronique où une structure de bande directe est nécessaire pour que les transitions optiques soient efficaces. A l~autre extrémité, les éléments lourds comme le thallium ou le bismuth,& donnent des composés à caractère métallique. On considérera donc essentiellement les composés à base de gallium (GaAs, GaSb), ou d'indium (InP, InAs, InSb), dont les propriétés sont les plus intéressantes.

Le tableau.I.1 suivant résume quelques paramètres pour différents matériaux de la famille III-V.

Composé III-V	Eg(eV)	g ( m)	m^*/m0	a0( A^& )	Structure de
					la Bande
					interdite
AlAs	2,16	0,57		5,661
AlSb	1,58	0,75	0,12	6,138	Indirecte
GaP	2,26	0,55	0,82	5,449
GaAs	1,42 0,72	0,87 1,85	0,063	5,653 6,095	directe
GASb
InP	1,35	0,92	0,08	5,868

Tableau.I.1. Paramètres caractéristiques pour principaux composés III-V. [_g énergie de
bande interdite ; »_g longueur d'onde du seuil d'absorption.
_m* masse effective des électrons ; a0 paramètre de maille du cristal.

L~intérêt pratique des semi-conducteurs III-V (GaAs) est encore considérablement renforcé par la possibilité de réaliser des alliages par substitution partielle de l~un des éléments par un autre élément de la même colonne. On sait par exemple obtenir des alliages ternaires du type GaxAl1-xAs, ou quaternaires comme GaxIn1-x AsyP1-y. La figure.I.1 représente les variations de la largeur de bande interdite de l~alliage en fonction du paramètre cristallin "a", qui varie lui-même avec la composition.

Figure.I.1. Largeur de bande interdite en fonction du paramètre cristallin a pour les
alliages III-V [I-6].

Les points du graphe montrent la position des composés binaires, et les lignes représentent l'évolution du gap "E_g" et du paramètre cristallin "a" en fonction de la composition des alliages

ternaires et quaternaires. Certaines lignes (en couleurs vers ou bleu) dénotent une transition entre un gap direct et un gap indirect. Ce diagramme est donc très important parce qu'il permet de connaître la composition de tout alliage ternaire ou quaternaire susceptible d'être déposé en couche mince par épitaxie sur un substrat binaire comme GaAs ou InP, afin d~obtenir le gap désiré. Les matériaux III-V offrent donc une grande variété d~alliages permettant de moduler leurs propriétés électroniques [I-7]. Cependant et selon le paramètre "a" (respectons la condition nécessaire à la réalisation d~une bonne hétérostructure par épitaxie), nous trouvons les composés AlAs et GaAs des bons candidats d~être un alliage ternaire.

I-3). L'alliage ternaire Ga1~xAlxAs :

Le _Ga1-xAlxAs est un semi-conducteur ternaire dont le diagramme de phase est basé sur les deux alliages binaires de groupe III-V : GaAs et AlAs. Comme on a vu en haut et comme nous le voyons sur la Figure.I.2, le très faible désaccord des paramètres de maille "a" de GaAs et d'AlAs (5.6533+

et 5.6611+ respectivement) en font des candidats parfaits d~un point de vue technologique pour la fabrication d~hétérojonctions. En effet, le paramètre de maille varie très peu avec la concentration en aluminium x (avec 0 < x < 1), ce qui signifie que les interfaces entre des alliages de différentes concentrations n~ont que très peu de défauts et présentent donc un faible désordre [I-4].

Figure.I.2. Largeur de bande interdite et paramètre
des principaux semiconducteurs

Cependant la nature de la transition énergétique de l'alliage _AlxGa1-xAs change selon le taux d'aluminium x. Pour une fraction d'aluminium inférieure à 0,45 la transition de l'alliage est identique à celle du GaAs caractérisé par une transition directe. Quand le taux d'aluminium devient supérieur à 0,45 la transition devient indirecte comme celle de l'AlAs.

À la température ambiante l~énergie de gap E_g [I-2] :

Eg = 1,4241 247 + x Eg = + 1,9 0,125 0,143 x + x		pour : pour :	x	<	0,45	(I.1)
	2		x		0,45