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Arséno-nitrure de gallium-indium

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L'arséno-nitrure de gallium-indium est un composé chimique de l'arsenic, de l'azote, du gallium et de l'indium, de formule GaInxAsNy. C'est un alliage quaternaire semi-conducteur III-V (Ga et In appartiennent à la colonne III du tableau de Mendeleïev, As et N à la colonne V). Il est utilisé en microélectronique et en opto-électronique pour la fabrication de composants, grâce à ses propriétés remarquables pour l'ingénierie de bandes.

Structure cristalline

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GaInAsN a la structure blende, tout comme l'arséniure de gallium et la plupart des composés III-V[1].

Il est possible de faire varier le paramètre de maille de GaInAsN en modifiant la concentration de l'indium et de l'azote dans l'alliage. Les atomes d'indium étant plus gros que ceux de gallium et d'arsenic, l'ajout d'indium augmente le paramètre de maille, tandis que l'ajout d'azote, de petite taille, le diminue. En faisant varier la concentration d'indium et d'azote dans l'alliage, il est possible de choisir son paramètre de maille[2]. En particulier, certaines compositions permettent à GaInAsN de conserver le même paramètre de maille que GaAs[3]. Cette propriété, remarquable pour un semiconducteur III-V, permet de limiter le nombre de défauts (dislocations) à l'intérieur des structures fabriquées par hétéroépitaxie, et donc d'améliorer leur efficacité[4].

Structure de bandes

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Si les propriétés électroniques de InxGaAs ne varient que de manière monotone avec la concentration d'indium x[5], GaInxAsNy dilué en azote (y < 10 %) présente une structure de bandes fortement modifiée par l'introduction de défauts dus aux atomes d'azote en substitution dans les sites de l'arsenic, résonnant avec la bande de conduction de la matrice d'arséniure de gallium-indium[6].

Cette interaction a plusieurs conséquences majeures :

  • une interaction semblable à un anticroisement de bandes qui sépare la bande de conduction de InGaAs en deux niveaux, celui de plus faible énergie devenant la nouvelle bande de conduction de l'alliage, et fait diminuer drastiquement l'énergie de bande interdite du composé par rapport à GaAs et InxGaAs[7] ;
  • une diminution de la mobilité des électrons en raison de cette interaction[8] ;
  • une augmentation de la masse effective des électrons[9].

Fabrication

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Plusieurs méthodes de fabrication ont été recensées pour la croissance de GaInAsN :

Intérêt

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GaInAsN dilué en azote possède des propriétés particulières pour un alliage semi-conducteur III-V, notamment un bowing très important de la largeur de bande interdite. Le paramètre de maille atomique pouvant être modifié en modifiant le rapport des concentrations de l'indium et de l'azote dans l'alliage[2], il peut être obtenu par épitaxie sur différents matériaux semi-conducteurs de paramètre de maille identique, comme l'arséniure de gallium[13], le phosphure d'indium[14], et le germanium[15] avec une largeur de bande interdite comprise entre 0,6 eV[14] et 1,42 eV.

Ces deux propriétés permettent la fabrication de composants optoélectroniques fonctionnant à plus grande longueur d'onde que GaAs, comme des sous-cellules pour cellules photovoltaïques multi-jonctions monolithiques[3],[4], des diodes laser[16] et des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs) fonctionnant dans l'infrarouge[17],[18].

En raison des propriétés du matériau, il est également utilisé comme base pour la fabrication de points quantiques et émetteurs de photons uniques par implantation sélective d'hydrogène[19].

Dernièrement, les alliages de nitrure de zinc et d'étain-germanium (ZnSnxGe1-xN2), composés des nitrures ternaires ZnSnN2 et ZnGeN2, se sont distingués par leur abondance sur terre et les nombreux avantages qu'ils offrent par rapport aux matériaux III-V dans les domaines de la conversion de l'énergie solaire et de l'émission de lumière. Ces avantages incluent des bandes interdites ajustables, des coefficients d'absorption élevés, des profils de toxicité réduits et une compatibilité avec la technologie à base de silicium. Le développement de technologies photovoltaïques (PV) hautement efficaces et durables reste crucial pour répondre à l'évolution de nos besoins énergétiques. Dans cette optique, les composés II-IV-V2 et les pérovskites sont récemment apparus comme des matériaux prometteurs pour faire progresser la conversion de l'énergie solaire[20],[21],[22],[23].

Notes et références

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  1. ↑ (en) C. Giannini, E. Carlino, L. Tapfer et F. Höhnsdorf, « Structural Properties of (GaIn)(AsN)/GaAs MQW Structures Grown by MOVPE », MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, vol. 5, no S1,‎ , p. 259–265 (ISSN 1092-5783, DOI 10.1557/S1092578300004361, lire en ligne, consulté le )
  2. ↑ a et b Dilute Nitride Semiconductors, Elsevier, (ISBN 978-0-08-044502-1, DOI 10.1016/b978-0-08-044502-1.x5000-8, lire en ligne)
  3. ↑ a b et c (en) Arto Aho, Riku Isoaho, Lauri Hytönen et Timo Aho, « Lattice‐matched four‐junction tandem solar cell including two dilute nitride bottom junctions », Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 27, no 4,‎ , p. 299–305 (ISSN 1062-7995 et 1099-159X, DOI 10.1002/pip.3094, lire en ligne, consulté le )
  4. ↑ a et b David B. Jackrel, Seth R. Bank, Homan B. Yuen et Mark A. Wistey, « Dilute nitride GaInNAs and GaInNAsSb solar cells by molecular beam epitaxy », Journal of Applied Physics, vol. 101, no 11,‎ (ISSN 0021-8979 et 1089-7550, DOI 10.1063/1.2744490, lire en ligne, consulté le )
  5. ↑ I. Vurgaftman, J. R. Meyer et L. R. Ram-Mohan, « Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys », Journal of Applied Physics, vol. 89, no 11,‎ , p. 5815–5875 (ISSN 0021-8979 et 1089-7550, DOI 10.1063/1.1368156, lire en ligne, consulté le )
  6. ↑ P R C Kent, L Bellaiche et Alex Zunger, « Pseudopotential theory of dilute III V nitrides », Semiconductor Science and Technology, vol. 17, no 8,‎ , p. 851–859 (ISSN 0268-1242, DOI 10.1088/0268-1242/17/8/314, lire en ligne, consulté le )
  7. ↑ W. Shan, W. Walukiewicz, J. W. Ager et E. E. Haller, « Band Anticrossing in GaInNAs Alloys », Physical Review Letters, vol. 82, no 6,‎ , p. 1221–1224 (DOI 10.1103/PhysRevLett.82.1221, lire en ligne, consulté le )
  8. ↑ S. Fahy et E. P. O’Reilly, « Intrinsic limits on electron mobility in dilute nitride semiconductors », Applied Physics Letters, vol. 83, no 18,‎ , p. 3731–3733 (ISSN 0003-6951 et 1077-3118, DOI 10.1063/1.1622444, lire en ligne, consulté le )
  9. ↑ F. Masia, G. Pettinari, A. Polimeni et M. Felici, « Interaction between conduction band edge and nitrogen states probed by carrier effective-mass measurements in Ga⁢As1−𝑥⁢N𝑥 », Physical Review B, vol. 73, no 7,‎ , p. 073201 (DOI 10.1103/PhysRevB.73.073201, lire en ligne, consulté le )
  10. ↑ Steven R. Kurtz, J. F. Klem, A. A. Allerman et R. M. Sieg, « Minority carrier diffusion and defects in InGaAsN grown by molecular beam epitaxy », Applied Physics Letters, vol. 80, no 8,‎ , p. 1379–1381 (ISSN 0003-6951 et 1077-3118, DOI 10.1063/1.1453480, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ Hisao Saito, Toshiki Makimoto et Naoki Kobayashi, « MOVPE growth of strained InGaAsN/GaAs quantum wells », Journal of Crystal Growth, vol. 195, no 1,‎ , p. 416–420 (ISSN 0022-0248, DOI 10.1016/S0022-0248(98)00666-6, lire en ligne, consulté le )
  12. ↑ V Donchev, M Milanova, S Georgiev et K L Kostov, « Dilute nitride InGaAsN and GaAsSbN layers grown by liquid-phase epitaxy for photovoltaic applications », Journal of Physics: Conference Series, vol. 1492, no 1,‎ , p. 012049 (ISSN 1742-6588 et 1742-6596, DOI 10.1088/1742-6596/1492/1/012049, lire en ligne, consulté le )
  13. ↑ R. Amraoui, A. Aissat, J. P. Vilcot et D. Decoster, « Frequency response optimization of P-I-N photodiode based on InGaAsN lattice matched to GaAs for High-Speed photodetection applications », Optics & Laser Technology, vol. 145,‎ , p. 107468 (ISSN 0030-3992, DOI 10.1016/j.optlastec.2021.107468, lire en ligne, consulté le )
  14. ↑ a et b (en) Milind R. Gokhale, « Growth and characterization of small band gap (∼0.6 eV) InGaAsN layers on InP », Appl. Phys. Lett., no 74,‎ , p. 1287–1289 (lire en ligne Accès payant)
  15. ↑ (en) K. Uesugi, T. Kikuchi, S. Kuboya et S. Sanorpim, « MOVPE growth of InGaAsN films on Ge(001) on‐axis and vicinal substrates », physica status solidi c, vol. 9, nos 3-4,‎ , p. 542–545 (ISSN 1862-6351 et 1610-1642, DOI 10.1002/pssc.201100360, lire en ligne, consulté le )
  16. ↑ M.O. Fischer, M. Reinhardt et A. Forchel, « Room-temperature operation of GaInAsN-GaAs laser diodes in the 1.5-μm range », IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 7, no 2,‎ , p. 149–151 (DOI 10.1109/2944.954123, lire en ligne, consulté le )
  17. ↑ Henning Riechert, Arun Ramakrishnan et Gunther Steinle, « Development of InGaAsN-based 1.3 m VCSELs », Semiconductor Science and Technology, vol. 17, no 8,‎ , p. 892–897 (ISSN 0268-1242, DOI 10.1088/0268-1242/17/8/318, lire en ligne, consulté le )
  18. ↑ M. Fischer, M. Reinhardt et A. Forchel, « A monolithic GaInAsN vertical-cavity surface-emitting laser for the 1.3-μm regime », IEEE Photonics Technology Letters, vol. 12, no 10,‎ , p. 1313–1315 (ISSN 1041-1135 et 1941-0174, DOI 10.1109/68.883814, lire en ligne, consulté le )
  19. ↑ Marco Felici, Giorgio Pettinari, Francesco Biccari et Mario Capizzi, « Spatially selective hydrogen irradiation of dilute nitride semiconductors: a brief review », Semiconductor Science and Technology, vol. 33, no 5,‎ , p. 053001 (ISSN 0268-1242 et 1361-6641, DOI 10.1088/1361-6641/aab3f1, lire en ligne, consulté le )
  20. ↑ (en) A. Laidouci, A. Aissat et J.P. Vilcot, « Numerical study of solar cells based on ZnSnN2 structure », Solar Energy, vol. 211,‎ , p. 237–243 (DOI 10.1016/j.solener.2020.09.025, lire en ligne, consulté le )
  21. ↑ (en) Abdelmoumene Laidouci, Mamta, V.N. Singh et Pratap Kumar Dakua, « Performance evaluation of ZnSnN2 solar cells with Si back surface field using SCAPS-1D: A theoretical study », Heliyon, vol. 9, no 10,‎ , e20601 (PMID 37842560, PMCID PMC10568353, DOI 10.1016/j.heliyon.2023.e20601, lire en ligne, consulté le )
  22. ↑ (en) Abdelmoumene Laidouci, Pratap Kumar Dakua, Deepak Kumar Panda et Savita Kashyap, « Investigating the potential of earth-abundant ZnSnxGe1-xN2 alloys for quantum well solar cells », Micro and Nanostructures, vol. 184,‎ , p. 207696 (DOI 10.1016/j.micrna.2023.207696, lire en ligne, consulté le )
  23. ↑ (en) A. Aissat, L. Chenini, A. Laidouci et S. Nacer, « Improvement in the efficiency of solar cells based on the ZnSnN2/Si structure », Materials Science and Engineering: B, vol. 300,‎ , p. 117071 (DOI 10.1016/j.mseb.2023.117071, lire en ligne, consulté le )
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