Characterisation of polarisation fields in III-nitride semiconductors by off-axis electron holography

Caractérisation des champs de polarisation dans les semi-conducteurs III-N par holographie électronique hors axe Les semi-conducteurs III-N (AlN, GaN, InN) et leurs alliages sont très utilisés pour la production de dispositif à émission lumineuses tels que les LEDs et les lasers. Un des freins majeurs au développement de source lumineuse à basse consommation est liée aux importants champs de polarisation (spontanée et piézo-électrique). La polarisation spontanée découle de la différence d’électronégativité entre l’azote et le métal de group III, ainsi que de l’absence de symétrie dans le plan (0001) pour ces matériaux de structure hexagonale. Les champs piézo-électriques sont dus aux déformations induites par le désaccord de réseau. Les champs de polarisation internes le long de la direction de croissance sont généralement perpendiculaires à la couche de puits quantiques dans les hétérostructures produites par croissance [0001]. Le décalage de polarisation entraîne un champ électrique qui sépare les fonctions d'onde de l'électron et du trou et déplace vers le rouge l'énergie d'émission, connu sous le nom d'effet Stark confiné quantique (QCSE), ce qui entraîne une diminution de l'efficacité quantique de l'émission de lumière. Différentes méthodes ont été proposées et étudiées pour réduire les champs de polarisation interne et améliorer l'efficacité des LEDs, comme l'utilisation de plans de croissance alternatifs (plans semi-polaires ou plans non polaires) pour réduire la polarisation spontanée, ou le dopage comme l'incorporation par criblage de porteurs libres dans le QCSE.La caractérisation de ces champs de polarisation est très importante afin d’améliorer la compréhension et les performances des applications des dispositifs lumineux afin de contrôler ou de réduire leur effet. L'holographie électronique apparaît comme un outil très prometteur car elle permet une mesure directe du potentiel électrostatique total (Vtot), avec une grande résolution spatiale (quelques nanomètres) et une grande sensibilité. Le potentiel total mesurée en holographie comprend deux contributions principale: le potentiel interne moyen (MIP) et les potentiels de polarisation (Vpol), qui résulte du champ électrique interne généré par la polarisation spontanée et piézoélectrique, et qui peut être partiellement écranté par la présence de porteurs libres (dopage). Nous proposons une méthode qui permet de séparer ces composantes afin d’étudier plus en détail les effets de polarisations. Cette méthode requiert de connaître précisément la valeur du MIP, typiquement calculée pour des échantillons bulk dans la littérature, loin de la réalité des hétérostructures où les matériaux sont soumis à de fortes déformations. Nous proposons ici de nouveaux calculs de DFT qui incluent les effets de déformations, ainsi que des méthodes expérimentales pour mesurer le MIP dans des échantillons bulk, ainsi que la différence de MIP entre 2 matériaux dans des hétérostructures, mettant ainsi en évidence les effets de déformations.Enfin, les effets du dopage pour écranter les champs de polarisation sont étudiés. Tout d’abord, des échantillons AlN/GaN dont les couches de GaN sont dopées au Ge mettent en évidence l’écrantage du potentiel grâce au dopage. Nous avons aussi pu mettre en évidence une inversion de potentiel dans des couches d’AlN due à une migration et ségrégation de dopage au niveau des interfaces. Ce delta-dopage a ensuite été approfondi comme un moyen de contrôler les champs électrostatiques localement. Nous avons pu à l’aide de dopage Si inverser localement le champ électrostatique dans des structures AlGaN/GaN. Cependant, à concentration équivalente voir supérieure, le dopage Ge a montré des difficultés à être contrôlé, et des migrations de dopants ont été observées, empêchant son utilisation pour un contrôle fin des champs électrostatiques.