Note publique d'information : Ce travail porte sur l'étude des propriétés électro-optiques du nitrure de gallium
(GaN) qui est, à l'heure actuelle, le matériau le plus prometteur pour la réalisation
d'émetteurs de lumière bleue à l'état solide. Le matériau, sous forme de couches épitaxiées
sur différents substrats à forts désaccords paramétriques, est caractérisé dans ses
deux phases cristallines: wurtzite et blende de zinc. Dans une première partie, nous
étudions les propriétés optiques intrinsèques du matériau par photoluminescence et
photoréflectivité. Nous observons l'évolution des énergies de recombinaison des excitons
avec l'état de contrainte résiduelle et la température, dans chacun des deux polytypes.
L'effet d'un fort dopage sur les transitions bord de bande est montré. En particulier,
nous mettons en évidence un phénomène d'auto-compensation dans les échantillons fortement
dopés au silicium. En deuxième partie, nous étudions les transitions de photoluminescence
liées aux défauts que nous corrélons aux conditions de croissance ou au dopage. Dans
les couches non dopées ou dopées au magnésium, nous montrons les similitudes existant
entre les bandes profondes de luminescence dans GaN cubique et celles observées dans
GaN hexagonal. A partir de ces éléments nous analysons l'électroluminescence de jonctions
p n dans chacun des deux polytypes. Le troisième volet est consacré à l'étude des
caractéristiques électriques de diodes Schottky et de jonctions p n sur GaN de structure
hexagonale. Nous analysons les mécanismes de conduction du courant, et mettons en
évidence plusieurs niveaux de défauts profonds dans la bande interdite du GaN, intervenant
dans les mécanismes de recombinaisons radiatives. L'ensemble de ces résultats permet
de mieux appréhender les mécanismes de conduction électrique et de recombinaisons
radiatives dans les dispositifs optoélectroniques à base de GaN, et de prévoir l'effet
des conditions de dépôt du matériau sur les performances des dispositifs.
Note publique d'information : We have studied electro-optical properties of both wurtzite and zinc-blende gallium
nitride (GaN), which is, presently, the most promising material for blue light emitting
diodes applications. Samples characterized in this study are epitaxial layers deposited
on different substrates with large mismatch of lattice parameter and thermal expansion
coefficient. First, the intrinsic-optical material properties are studied by photoluminescence
and photoreflectance. The evolution of excitonic recombination energies with both
residual strain and temperature is observed. Moreover, the effect of a high doping
level on band edge transitions is shown. Particularly, we evidenced an auto-compensation
phenomenon in highly silicon-doped layers. In a second part, we studied defect-related
photoluminescence transitions, which are correlated with sample growth conditions
or doping. In undoped or magnesium doped layers, similarities between deep luminescence
bands in zinc-blende and in wurtzite GaN are shown. Using these results, we analyse
p-n GaN junction electroluminescence of both polytypes. The third part is devoted
to electrical studies of hexagonal phase GaN Shottky diodes and p-n junctions. We
analyse current-conduction mechanisms, and evidence several deep levels in GaN bandgap,
which may be involved in radiative recombination mechanism. Our results allow a better
understanding of electrical conduction and radiative recombination mechanisms in GaN-based
optoelectronic devices, and a forecast of the influence of material growth conditions
on the device performance.
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