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Nitrures semi-conducteurs

Processus électroniques dans les nitrures semi-conducteurs

Le GaN, semi-conducteur à grand gap, et les alliages de la même famille (InGaN, AlGaN…) sont des matériaux clés pour les applications dans les domaines de l’électronique haute puissance et de l’éclairage. Dans ces secteurs, les enjeux sont considérables dans la mesure où la filière nitrure devrait permettre de réduire fortement la consommation d’énergie électrique. Mais, malgré les progrès rapides qui ont permis l’émergence de la technologie nitrure à l’échelle industrielle, les propriétés intrinsèques des composés III-N et les mécanismes qui gouvernent les performances des dispositifs restent encore mal connus.

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Spectroscopie du transport électronique dans les LEDs en GaN

L’invention des diodes électro-luminescentes à base de GaN (LEDs blanches) a été récompensée par le Prix Nobel de physique en 2014 pour l’impact de ces dispositifs dans le domaine de l’éclairage. Si les LEDs ont effectivement fait leur apparition dans de nombreux objets du quotidien, leurs performances restent encore insuffisantes pour permettre d’atteindre les objectifs visés en termes d’économie d’énergie. Ceci est dû à la chute d’efficacité de ces dispositifs en régime de forte injection. Ce phénomène appelé « droop » est étudié depuis plus de 15 ans mais son origine est encore discutée.

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Structure de la bande de conduction du GaN

Bien que la filière nitrure ait déjà permis l’essor d’une technologie et d’une industrie florissante, les propriétés électroniques fondamentales des composés III-N sont encore mal connues. En particulier, des paramètres de la structure de bande comme la position en énergie des vallées latérales de la bande de conduction, qui jouent un rôle crucial dans le transport d’électrons chauds, n’ont pas été déterminés. Dans le GaN, les valeurs rapportées dans la littérature pour la séparation entre la vallée centrale  et la première vallée secondaire L varient de 0.29 eV à 2.2 eV.

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Localisation par le désordre dans les composés III-N

Dans les diodes électroluminescentes en nitrures, la zone active est constituée de puits quantiques en InGaN. Ces alliages ternaires présentent un désordre de composition intrinsèque. Dans ces composés, où les énergies de bandes interdites varient fortement avec la composition, le désordre d’alliage peut être à l’origine d’effets important de localisation ayant un impact fort sur le fonctionnement des dispositifs. On s’attend en particulier à ce que ces effets de localisation jouent un rôle dans la chute d’efficacité des LEDs à forte injection.

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