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Effet de la pression hydrostatique sur les propriétés électriques de super-réseaux
InAs/GaSb de courte période
L.Konczewicz, S.Contreras
Université Montpellier 2, Groupe d'Etude des Semiconducteurs,
CNRS, UMR5650, Montpellier, France
H. Aït-Kaci, Y. Cuminal, J.B. Rodriguez and P. Christol
Université Montpellier 2, Institut d’Electronique du Sud,
CNRS, UMR5214, Montpellier, France
Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)
Applications militaires et civiles: la vision nocturne à longue distance, l’aide à la conduite et à la détection d’obstacles, détection de personnes par conditions extrêmes de brouillard ou de fumée
Télédétection : détection de polluants, la cartographie précise de températures sur Terre (Urbanisme, Agriculture)
Imagerie infrarouge : industrie : détection de défauts de procédés, médecine : détection de anomalies physiologiques
Diapositive : 2
Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)
type-II broken gap alignmentsuper-réseaux de courte période
Couplage entre les puits quantiques (QW)
La formation de mini-bandes
H.J. Haugan et al. J.Crys. Growth 278, 198–202 (2005)
Il est possible d’ajuster l’écart énergétique entre les mini-bandes en changeant l’épaisseur de chaque binaire : InAs et GaSb
Diapositive : 3
Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)
Transitions fondamentales dans un super réseaux symétrique InAs(d) / GaSb (d)
Super réseaux type II :
3-5µm
Un super réseau de courte période adapté pour le fenêtre optique 3-5 µm
Diapositive : 4
Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)
Super réseaux type II :
Diapositive : 5
Le choix du système à SR InAs/GaSb sur substrat GaSb (par EJM)
• InAs se retrouve en tension lorsqu’il est déposé sur GaSb : introduction de contraintes biaxiales de cisaillement. • Compensation de la contrainte par insertion d’une fine couche d’InSb .
+6 %
GaSb InAs
InSb
-0.6 %
a/a GaSb
-0.6 %
Un super réseaux symétrique: InAs(10MCs)/InSb(1MC)/GaSb(10MCs)
Diapositive : 6
Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL)
GaSb (n)
SL n.i.d.e = 3 µm
GaSb (p)
hSR photo-diode
sur le substrat de GaSb type n
Le choix de la structure :InAs 10MCs / InSb 1MC / GaSb 10MCs = 3nm
l’accord de maille du SR sur le substrat de GaSb
une longueur d’onde de coupure théorique 5.6 µm (220 meV) permettant de couvrir entièrement la
gamme 3-5 μm ( MWIR) Pourquoi est-il intéressant d’étudier le propriétés
électriques de super réseaux InAs/GaSb ?
porteurs majoritaires : la diffusion et conduction exigent des porteurs d’une grande mobilité
pour augmenter le temps de vie de porteurs minoritaires et diminuer le courant d’obscurite il faut contrôler la concentration de porteurs dans de SR
Bref, il serait bien de connaître les mécanismes de conduction de courant électrique dans ce matériau…
Les échantillons :Les échantillons :
Les superréseaux (non intentionnellement dopé) de 300 périodes (1.92 µm) par la
technique d’EJM
Pour l’étude de détecteur (jonction pn):substrat de GaSb
Pour l’étude de transport éléctrique :substrat de GaAs – semi isolant
Deux types d’échantillons
Couches bien uniformesinterfaces de croissance
planes et régulièresun SR quasi accordé sur GaSb
Diapositive : 7
Diapositive : 8
Caractérisation électrique; données bibliographiques: Caractérisation électrique; données bibliographiques:
• deux types de porteurs participent à la conduction (trous et électrons)• à basse température une transition entre la conduction de type n et p (pour T<140K) est envisagée
PHYSICAL REVIEW B 58, 23, 15378 (1998)H.Mohseni, V.I.Litvinov and M.Razeghi
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
Pression atmosphérique :Etude de la conductivité :
0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012
0.1
1
10 InAs/GaSb SL
P= 0 MPa
Res
istiv
ity [
cm]
1/T [K-1]
0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012
0.1
1
10
Ed1=153.6 meV
Ed1=27.5 meVInAs/GaSb SL
P= 0 MPa
Res
istiv
ity [
cm]
1/T [K-1]
On peut distinguer deux régions, (Tc=190K), avec deux pentes bien définies. Elle correspondent aux énergies d’activation respectivement :Ed1 (températures basses) = 28 meV et Ed2 (températures hautes) = 150 meV
Etude de l’Effet Hall :
0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.0121E16
1E17
1E18
50 100 150 200 250 300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
n-typep-type
Rh
en
[cm
3 /C]
Temperature en [K]
p-typen-type
InAs/GaSb SL
P=0 MPa
ab
s (n
h) e
n [
cm-3]
1/T en [K-1]
0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.0121E16
1E17
1E18
50 100 150 200 250 300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
n-typep-type
Rh e
n [
cm3 /C
]
Temperature en [K]
p-typen-type
InAs/GaSb SL
P=0 MPa
ab
s (n
h) e
n [
cm-3]
1/T en [K-1]
•Le changement réversible du signe coefficient Rh de d’Effet Hall est observé• On peut distinguer deux régions, (Tc=190K), avec deux pentes de nh=f(1/T) bien définies.
Etude de la mobilité de Hall :
10
100
1000
µ(T)=µoT+2
n-typep-type
80 100 200 300
Mob
ility
[cm
2 /Vs]
T[K]
InAs/GaSb
P= 0 MPa
• Une simple loi exponentielle : (T) = 0T+2
• Le mécanisme de diffusion : est-il dominé par la diffusion par les impuretés ionisées ?
L’effet de température à pression atmosphérique : un niveau donneur “profond” et un niveau accepteur
Diapositive : 9
Matériaux de base sous pression : GaSb , InAsMatériaux de base sous pression : GaSb , InAs
Sous Pression :
InAs :Energy gap Eg=0.354 eV Energy separation ΓL EΓL=0.73 eV Energy separation ΓX EΓX=1.02 eV
GaSb :Energy gap Eg=0.726 eV Energy separation ΓL EΓL=0.084 eV Energy separation ΓX EΓX= 0.31 eV
P = 1000 MPa
GaSb :
InAs :
Diapositive : 10
Equipement haute pression: Equipement haute pression:
Système expérimental haute pression pour des études de propriétés galvanomagnétiques de matériaux :
Compresseur (He2) cellule de pression
capillaire flexible
Diapositive : 11
passage électrique
cellule de pression
Equipement haute pression: Equipement haute pression:
Système expérimental haute pression pour des études de propriétés galvanomagnétiques de matériaux :
Compresseur (He2) cellule de pression
capillaire flexible
Pression variable : 0-1400 MPaDomaine de température : 77- 400K
Diapositive : 12
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
En fonction de la pression à température ambiante :
Etude de la résistivité :
Une augmentation importante de la résistivité ( plus que 4 fois par GPa )
Diapositive : 13
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
En fonction de la pression à température ambiante :
Etude de l’Effet Hall :
• la variation non-monotone de nh : une signature de la conduction de type n par deux types de porteurs ?
• Un transfert entre les minibandes et L ?
Diapositive : 14
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
En fonction de la pression à température ambiante :
La mobilité de Hall :
• Une décroissance importante de la mobilité : µ(HP) <300• Une signature de transfert entre une minibande de haute mobilité ( et une miniband de faible mobilité (L) ?
Diapositive : 15
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
En fonction de la pression et de la température :Etude de la résistivité :
A haute température :pas de changement de
la penteA basse température :
augmentation de l’energie apparente :dEd/dP = 8 meV/GPa
Diapositive : 16
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
En fonction de la pression et de la température :Etude de l’Effet Hall :
• Le changement réversible du signe du coefficient Rh de l’Effet Hall est observé pour toutes les pressions
• La température caractéristique Tch augmente avec la pression
P2 P3 P4 P5
x x x x
P1
x
Diapositive : 17
Caractérisation électrique : Caractérisation électrique :
En fonction de la pression et de la température :Mobilité de Hall:
• Le déplacement de la température Tch est confirmé.
• A basse température :On observe une augmentation de la mobilité avec la pression (trous lourds et trous légers ?)
Diapositive : 18
ConclusionsConclusions
La première étude sous pression hydrostatique de super réseaux InAs/InSb/GaSb intentionnellement non-dopé pour le
développement de détecteurs dans le domaine spectral de l’infrarouge moyen
Domaine des hautes températures :
Deux type porteurs de type n participent à la conduction ?
Un transfert entre les minibandes et L ?
Domaine des basses températures :
On observe une transition entre la conduction de type n et de type p :
La température caractéristique de cette transition Tch augmente avec la pression
Plusieurs type de trous (trous lourds et trous légers) participent à la conduction ?
