JOURNÉE SCIENTIFIQUE "HAUTES PRESSIONS" 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Introduction – super réseaux InAs/GaSb (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 Diapositive : 2 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL) Avec quoi ? H.J. Haugan et al. J.Crys. Growth 278, 198–202 (2005) super-réseaux de courte période Couplage entre les puits quantiques (QW) La formation de mini-bandes type-II broken gap alignment Il est possible d’ajuster l’écart énergétique entre les mini-bandes en changeant l’épaisseur de chaque binaire : InAs et GaSb Diapositive : 3 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL) Avec quoi ? 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL) Avec quoi ? Le choix du système à SR InAs/GaSb sur substrat GaSb (par EJM) +6 % GaSb InAs InSb -0.6 % Da/a Super réseaux type II : 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 .  Un super réseaux symétrique: InAs(10MCs)/InSb(1MC)/GaSb(10MCs) Diapositive : 5 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Introduction – super réseaux InAs/GaSb (SL) Comment ? 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)   GaSb (n) SL n.i.d. e = 3 µm GaSb (p) hn 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… SR photo-diode sur le substrat de GaSb type n Diapositive : 6 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 6

Deux types d’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 uniformes interfaces de croissance planes et régulières un SR quasi accordé sur GaSb zoom Diapositive : 7 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

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<140K) est envisagée Diapositive : 8 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 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=190K), avec deux pentes bien définies. Elle correspondent aux énergies d’activation respectivement : Ed1 (températures basses) = 28 meV et Ed2 (températures hautes) = 150 meV 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. 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 9

Matériaux de base sous pression : GaSb , InAs Quoi ? 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Equipement haute pression: Système expérimental haute pression pour des études de propriétés galvanomagnétiques de matériaux : cellule de pression capillaire flexible passage électrique cellule de pression Compresseur (He2) Diapositive : 11 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

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- 400K Compresseur (He2) cellule de pression Diapositive : 12 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

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 ? Diapositive : 14 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 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) ? Diapositive : 15 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 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 :dEd/dP = 8 meV/GPa Diapositive : 16 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009

Caractérisation électrique : En fonction de la pression et de la température : Etude de l’Effet Hall : P1 x P2 P3 P4 P5 x 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 Diapositive : 17 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 17

Caractérisation électrique : En fonction de la pression et de la température : Mobilité de Hall: zoom 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 Journée scientifique "hautes pressions" 21/01/2009 18

Conclusions 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 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