Spectroscopie de modulation optique pour la qualification d

1
Année 2005
THÈSE
Présentée
Devant l’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUÉES DE
LYON
Pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
FORMATION DOCTORALE : Dispositifs de l’Electronique Intégrée
ECOLE DOCTORALE : Électronique, Électrotechnique, Automatique
Par
Houssam CHOUAIB
Ingénieur Université Libanaise
(Beyrouth)
Spectroscopie de modulation optique pour la qualification
d'hétérostructures GaAsSb/InP destinées à la réalisation de TBH
ultra-rapides.
MM. Catherine BRU-CHEVALLIER Directrice de thèse
Jean-Luc PELOUARD Rapporteur
Joël LEYMARIE Rapporteur
Mohamed ZOAETER
Patrick KELLY
Gérard GUILLOT
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de LYON

2

1
INTRODUCTION GENERALE................................................................................... 6
CHAPITRE 1 : DE LA PHOTOREFLECTIVITE A LA MICRO-
PHOTOREFLECTIVITE POUR L’ETUDE DES TBH................................................. 9
1.1 Propriétés optiques des semiconducteurs ................................................................10
1.1.1 Interaction onde-matière : les équations de Maxwell........................................... 10
1.1.2 La fonction diélectrique complexe....................................................................... 12
1.1.3 Les phénomènes d’absorption dans les semiconducteurs .................................... 13
1.1.3.1 Fonction diélectrique d’une transition bande à bande...................................... 14
1.1.3.2 Fonction diélectrique d’une transition excitonique.......................................... 14
1.2 Principe des spectroscopies de modulation..............................................................14
1.2.1 Principe des spectroscopies de modulation.......................................................... 15
1.2.2 Modulation de la réflectivité ................................................................................ 16
1.2.3 Modulation du champ électrique.......................................................................... 16
1.2.4 Effet de la modulation – Transitions bande à bande ............................................ 17
1.2.4.1 Théorie à champ faible : la dérivée troisième de la fonction diélectrique (TDFF
= Third Derivative Functional Form)............................................................................... 17
1.2.4.2 Théorie à champ fort : les oscillations de Franz-Keldysh ( FKOs ), application
à la mesure des champs électriques internes.................................................................... 19
1.2.5 Les transitions excitoniques : systèmes confinés ................................................. 22
1.2.6 Ajustement des spectres de PR............................................................................. 24
1.3 Banc expérimental : macro-PR.................................................................................28
1.4 La Micro-photoréflectivité : amélioration de la résolution spatiale......................29
1.4.1 Banc expérimental de micro-photoréflectivité..................................................... 30
1.4.1.1 Description des différents éléments du banc expérimental µPR...................... 31
1.4.1.2 Optimisation des mesures................................................................................. 33
1.4.2 Résolution spatiale du banc de µPR..................................................................... 34
1.4.3 Influence de la puissance du faisceau laser sur les spectres de µPR.................... 36
1.4.4 Conclusion............................................................................................................ 37

2
1.5 Conclusion...................................................................................................................38
CHAPITRE 2 :.......................................................................................................... 43
LE TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION :INTERET DE LA
SPECTROSCOPIE OPTIQUE.................................................................................. 43
2.1 Introduction................................................................................................................44
2.2 Le TBH........................................................................................................................44
2.2.1 Généralités............................................................................................................ 44
2.2.2 Principe de fonctionnement du transistor bipolaire.............................................. 46
2.2.3 Rôle de l’hétérojonction dans un TBH................................................................. 48
2.2.4 Intérêt du GaAsSb dans les TBH sur InP............................................................. 49
2.2.5 Inconvénients ....................................................................................................... 50
2.2.6 Matériau quaternaire dans l’émetteur: InGaAlAs. ............................................... 51
2.3 Importance des études matériau pour la caractérisation et la conception des
transistors bipolaires à hétérojonction.................................................................................52
2.3.1 Etudes des propriétés physiques des alliages antimoniés..................................... 53
2.3.2 Interfaces type II – offsets de bande..................................................................... 54
2.3.3 Détermination de la position du niveau de Fermi de Surface du matériau ternaire
GaAsSb 55
2.4 Apport des spectroscopies de modulation optiques pour la caractérisation des
transistors bipolaires à hétérojonction ( TBH )...................................................................57
2.4.1 Introduction .......................................................................................................... 57
2.4.2 Etat de l’art des mesures de PR sur TBH............................................................. 58
2.4.2.1 Analyse de la période des FKO........................................................................ 58
2.4.2.2 Exploitation de l’intensité des FKO................................................................. 59
2.4.2.3 Corrélation avec les performances des TBH.................................................... 59
2.4.2.4 Exploitation de la forme des FKO.................................................................... 60
2.4.3 Etude de micro-PR sur composant....................................................................... 60
2.5 Conclusion...................................................................................................................62

3
CHAPITRE 3 : CARACTERISATIONS PHYSIQUES DES ALLIAGES
ANTIMONIES 67
3.1 Propriétés physiques des alliages GaAs1-xSbx..........................................................68
3.1.1 Paramètre de maille.............................................................................................. 68
3.1.2 Bande interdite (gap)............................................................................................ 68
3.1.3 Paramètres physiques à 300K .............................................................................. 69
3.2 Croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) des structures GaAsSb/InP
70
3.3 Caractérisations physiques des alliages antimoniés................................................73
3.3.1 Structures étudiées................................................................................................ 73
3.3.2 Analyse des spectres de PR.................................................................................. 75
3.3.2.1 Spectres à température ambiante...................................................................... 75
3.3.2.2 Influence de la température sur les spectres de PR .......................................... 76
3.3.2.3 Cas des couches épiasses (cas de l’échantillon H6381)................................... 78
3.3.2.3.1 Détermination du gap par fit TDFF (Champ faible) .................................. 79
3.3.2.3.2 Détermination du gap et du champ électrique par exploitation des FKO
(champ fort) : choix de la phase ϕ................................................................................ 82
3.3.2.3.2.1 Détermination du gap.......................................................................... 82
3.3.2.3.2.2 Détermination du champ électrique .................................................... 84
3.3.2.4 Cas des couches fines (Cas de l’échantillon H6372) ....................................... 84
3.3.3 Structure de bande des échantillons – simulation simwindows ........................... 86
3.3.4 Position du niveau de Fermi de surface ............................................................... 89
3.3.5 Conclusion............................................................................................................ 89
3.4 Effets de localisation dans les alliages GaAsSb .......................................................90
3.4.1 Mise en évidence des effets de localisation dans les alliages GaAsSb – PL en
fonction de la température.................................................................................................... 90
3.4.1.1 Evolution de l’énergie du pic de PL en fonction de la température................. 91
3.4.1.2 Evolution de la largeur à mi-hauteur en fonction de la température................ 93
3.4.1.3 Evolution de l’intensité intégrée de PL en fonction de la température ............ 93
3.4.2 PL en fonction de la puissance d’excitation......................................................... 95
3.4.3 Observation des phénomènes de localisation en PR ............................................ 96