JOURNE SCIENTIFIQUE HAUTES PRESSIONS Effet de la pression

JOURNÉE SCIENTIFIQUE "HAUTES PRESSIONS" Effet de la pression hydrostatique sur les propriétés électriques de super-réseaux In. As/Ga. Sb de courte période L. Konczewicz, S. Contreras Université Montpellier 2, Groupe d'Etude des Semiconducteurs, CNRS, UMR 5650, Montpellier, France H. Aït-Kaci, Y. Cuminal, J. B. Rodriguez and P. Christol Université Montpellier 2, Institut d’Electronique du Sud, CNRS, UMR 5214, Montpellier, France Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Introduction – super réseaux In. As/Ga. Sb (SL) Pourquoi ? Une nouvelle génération de photodétecteurs, performant dans le domaine spectral de l’infrarouge moyen (3 -5 μm) (MWIR) 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

Introduction – super réseaux In. As/Ga. Sb (SL) Avec quoi ? super-réseaux dealignment courte type-II broken gap 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 : In. As et Ga. Sb Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

Introduction – super réseaux In. As/Ga. Sb (SL) Avec quoi ? Transitions fondamentales dans un super réseaux symétrique In. As(d) / Ga. Sb (d) Super réseaux type II : 3 -5µm Un super réseau de courte période adapté pour le fenêtre optique 3 -5 µm Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

Introduction – super réseaux In. As/Ga. Sb (SL) Avec quoi ? Le choix du système à SR In. As/Ga. Sb sur substrat Ga. Sb (par EJM) In. Sb Da/a Super réseaux type II : Ga. Sb In. As Ga. Sb -0. 6 % +6 % • In. As se retrouve en tension lorsqu’il est déposé sur Ga. Sb : introduction de contraintes biaxiales de cisaillement. • Compensation de la contrainte par insertion d’une fine couche d’In. Sb. Un super réseaux symétrique: In. As(10 MCs)/In. Sb(1 MC)/Ga. Sb(10 MCs) Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

Introduction – super réseaux In. As/Ga. Sb (SL) Comment ? Ga. Sb (p) SL n. i. d. e = 3 µm Ga. Sb (n) Le choix de la structure : In. As 10 MCs / In. Sb 1 MC / Ga. Sb 10 MCs = 3 nm l’accord de maille du SR sur le substrat de Ga. Sb une longueur d’onde de coupure théorique 5. 6 µm (220 me. V) permettant de couvrir entièrement la gamme 3 -5 μm ( MWIR) Pourquoi est-il intéressant d’étudier le propriétés électriques de super réseaux In. As/Ga. Sb ? hn SR photo-diode sur le substrat de Ga. Sb type n 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… Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 6

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 Ga. Sb Deux types d’échantillons zoom Pour l’étude de transport éléctrique : substrat de Ga. As – semi isolant üCouches bien uniformes üinterfaces de croissance planes et régulières üun SR quasi accordé sur Ga. Sb Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

Caractérisation électrique; données bibliographiques: PHYSICAL REVIEW B 58, 23, 15378 (1998) H. Mohseni, V. I. Litvinov and M. Razeghi • 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<140 K) est envisagée Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 8

Caractérisation électrique : Pression atmosphérique : Etude de la conductivité : Etude de l’Effet Hall : Etude de la mobilité de Hall : On peut distinguer deux régions, (Tc=190 K), avec deux pentes bien définies. Elle correspondent aux énergies d’activation respectivement : Ed 1 (températures basses) = 28 me. V et Ed 2 (températures hautes) = 150 me. V • Le changement réversible du signe • Une simple loi exponentielle : coefficient Rh de d’Effet Hall est (T) = 0 T+2 observé • Le mécanisme de diffusion : est-il • On peut distinguer deux régions, dominé par la diffusion par les (Tc=190 K), avec deux pentes de impuretés ionisées ? nh=f(1/T) bien définies. L’effet de température à pression atmosphérique : un niveau donneur “profond” et un niveau accepteur Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 9

Matériaux de base sous pression : Ga. Sb , In. As Quoi ? Sous Pression : In. As : Energy gap Energy separation ΓL Energy separation ΓX Eg=0. 354 e. V EΓL=0. 73 e. V EΓX=1. 02 e. V In. As : Ga. Sb : Energy gap Energy separation ΓL Energy separation ΓX Eg=0. 726 e. V P= 1000 MPa EΓL=0. 084 e. V EΓX= 0. 31 e. V Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Ga. Sb : Diapositive :

Equipement haute pression: Système expérimental haute pression pour des études de propriétés galvanomagnétiques de matériaux : capillaire flexible passage électrique Compresseur (He 2) cellule de pression Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 cellule de pression Diapositive :

Equipement haute pression: Système expérimental haute pression pour des études de propriétés galvanomagnétiques de matériaux : capillaire flexible Pression variable : 0 -1400 MPa Domaine de température : 77 - 400 K Compresseur (He 2) Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 cellule de pression Diapositive :

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 ) Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

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 G et L ? Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 14

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 (G) et une miniband de faible mobilité (L) ? Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 15

Caractérisation électrique : En fonction de la pression et de la température : Etude de la résistivité : A haute température : pas de changement de la pente A basse température : augmentation de l’energie apparente : d. Ed/d. P = 8 me. V/GPa Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive :

Caractérisation électrique : En fonction de la pression et de la température : Etude de l’Effet Hall : P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 x x x • 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 17

Caractérisation électrique : En fonction de la pression et de la température : Mobilité de Hall: • Le déplacement de la température Tch est confirmé. zoom • A basse température : On observe une augmentation de la mobilité avec la pression (trous lourds et trous légers ? ) Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 Diapositive : 18

Conclusions La première étude sous pression hydrostatique de super réseaux In. As/In. Sb/Ga. Sb intentionnellement non-dopé pour le développement de détecteurs dans le domaine spectral de l’infrarouge moyen 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 ? Domaine des hautes températures : Deux type porteurs de type n participent à la conduction ? Un transfert entre les minibandes G et L ? Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009