Optique des semi-conducteurs
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années une grande importance, car se prêtent bien à l'hétéro-épitaxie et à d'autres opérations
technologiques (dopage en particulier) nécessaires pour la réalisation de structures
artificielles. Ce sont aujourd'hui par excellence les matériaux du "band-gap engineering", et,
en particulier, de l'optoélectronique. Les familles de structures les plus étudiées sont :
- la filière élaborée sur substrat GaAs : GaAs/AlGaAs/InGaAs, intéressante dans la
région de longueur d'onde 0.7- 0.9 pm, dont la technologie est toujours la plus avancée, et qui
sert de banc d'essai à la plupart des nouvelles idées.
- la filière élaborée sur InP: GaInAs/AlInAs/InP, active dans la fenêtre de longueur
d'onde 1.3-1.5 pm qui intéresse les télécommunications.
- les nitrures. Plus récemment des succès spectaculaires et inattendus dans le domaine de
l'émission bleue ont relancé l'intérêt pour GaN et sa famille. Notons que la forme cristalline
usuelle de ces matériaux est hexagonale, de type Wurtzite, comme certains matériaux II-VI.
Avec les semi-conducteurs II-VI et I-VU, I'ionicité est de plus en plus marquée ce qui a
de nombreuses conséquences :
- métallurgiques, avec en particulier la difficulté de doper, de prendre des contacts.
- structurales, avec beaucoup de composés à grand gap de structure Wurtzite. Elle est
finalement assez semblable à la blende de zinc du point de vue des liaisons élémentaires et la
physique est assez proche. Cela abaisse la symétrie, la dégénérescence trous lourds-légers en
k = O est levée, ce qui modifie les règles de sélection sans changer fondamentalement les
choses. I1 faut de plus noter que les phases cubiques de ces composés sont souvent accessibles
aujourd'hui en épitaxie "forcée" sur un substrat cubique (croissance pseudomorphique).
- électroniques et optiques avec beaucoup de grands gaps et des effets excitoniques très
marqués.
À ces deux familles, on peut adjoindre C u 0 et Cu,O, semi-conducteurs à grand gap bien
connus, mais peu remarqués pour leurs perspectives d'application. Notons enfin que les
composés II-VI à base de Te, Se, S sont entrés eux aussi, depuis le début des années 80, dans
l'ère de l'hétéroépitaxie et des possibilités d'ingénierie qu'elle offre.
I1 faut une mention spéciale pour les composés du mercure. D'une part, la famille des
alliages HgCdTe reste remarquablement accordée en maille sur le substrat CdTe. D'autre part,
à cause de la très grande masse du cation, pathologique en quelque sorte, HgTe est un semiconducteur à gap nul et les alliages fournissent donc une palette de gaps ajustables entre O et
1,6 eV, avec de grandes possibilités d'application dans le domaine de l'optique infrarouge.
Enfin, citons rapidement quelques composés moins étudiés. Les sels de plomb de type
PbS sont aussi des semi-conducteurs à petit gap, direct, mais situé au point L de la zone de
Brillouin. Les matériaux III-VI, de type GaSe, sont lamellaires, avec donc une grande
anisotropie des propriétés électroniques et optiques.
2.3.4 Les semi-conducteurs magnétiques
Sans aller trop loin dans l'exotisme, on ne peut oublier de présenter les semi-conducteurs
magnétiques. Les plus étudiés ont d'abord été les matériaux de type EuO, aux propriétés
magnétiques intéressantes (ferromagnétisme), issues des couches f de l'europium. Mais une
mention spéciale doit être faite dans cette École aux alliages "semimagnétiques" ou
magnétiques dilués (DMS) de type CdMnTe. Leurs propriétés magnétiques semblent moins
riches, mais l'introduction progressive du magnétisme permet justement de maintenir leur
caractère de "bons" semi-conducteurs, propices à des études assez fines. De plus, ils s'insèrent
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années une grande importance, car se prêtent bien à l'hétéro-épitaxie et à d'autres opérations
technologiques (dopage en particulier) nécessaires pour la réalisation de structures
artificielles. Ce sont aujourd'hui par excellence les matériaux du "band-gap engineering", et,
en particulier, de l'optoélectronique. Les familles de structures les plus étudiées sont :
- la filière élaborée sur substrat GaAs : GaAs/AlGaAs/InGaAs, intéressante dans la
région de longueur d'onde 0.7- 0.9 pm, dont la technologie est toujours la plus avancée, et qui
sert de banc d'essai à la plupart des nouvelles idées.
- la filière élaborée sur InP: GaInAs/AlInAs/InP, active dans la fenêtre de longueur
d'onde 1.3-1.5 pm qui intéresse les télécommunications.
- les nitrures. Plus récemment des succès spectaculaires et inattendus dans le domaine de
l'émission bleue ont relancé l'intérêt pour GaN et sa famille. Notons que la forme cristalline
usuelle de ces matériaux est hexagonale, de type Wurtzite, comme certains matériaux II-VI.
Avec les semi-conducteurs II-VI et I-VU, I'ionicité est de plus en plus marquée ce qui a
de nombreuses conséquences :
- métallurgiques, avec en particulier la difficulté de doper, de prendre des contacts.
- structurales, avec beaucoup de composés à grand gap de structure Wurtzite. Elle est
finalement assez semblable à la blende de zinc du point de vue des liaisons élémentaires et la
physique est assez proche. Cela abaisse la symétrie, la dégénérescence trous lourds-légers en
k = O est levée, ce qui modifie les règles de sélection sans changer fondamentalement les
choses. I1 faut de plus noter que les phases cubiques de ces composés sont souvent accessibles
aujourd'hui en épitaxie "forcée" sur un substrat cubique (croissance pseudomorphique).
- électroniques et optiques avec beaucoup de grands gaps et des effets excitoniques très
marqués.
À ces deux familles, on peut adjoindre C u 0 et Cu,O, semi-conducteurs à grand gap bien
connus, mais peu remarqués pour leurs perspectives d'application. Notons enfin que les
composés II-VI à base de Te, Se, S sont entrés eux aussi, depuis le début des années 80, dans
l'ère de l'hétéroépitaxie et des possibilités d'ingénierie qu'elle offre.
I1 faut une mention spéciale pour les composés du mercure. D'une part, la famille des
alliages HgCdTe reste remarquablement accordée en maille sur le substrat CdTe. D'autre part,
à cause de la très grande masse du cation, pathologique en quelque sorte, HgTe est un semiconducteur à gap nul et les alliages fournissent donc une palette de gaps ajustables entre O et
1,6 eV, avec de grandes possibilités d'application dans le domaine de l'optique infrarouge.
Enfin, citons rapidement quelques composés moins étudiés. Les sels de plomb de type
PbS sont aussi des semi-conducteurs à petit gap, direct, mais situé au point L de la zone de
Brillouin. Les matériaux III-VI, de type GaSe, sont lamellaires, avec donc une grande
anisotropie des propriétés électroniques et optiques.
2.3.4 Les semi-conducteurs magnétiques
Sans aller trop loin dans l'exotisme, on ne peut oublier de présenter les semi-conducteurs
magnétiques. Les plus étudiés ont d'abord été les matériaux de type EuO, aux propriétés
magnétiques intéressantes (ferromagnétisme), issues des couches f de l'europium. Mais une
mention spéciale doit être faite dans cette École aux alliages "semimagnétiques" ou
magnétiques dilués (DMS) de type CdMnTe. Leurs propriétés magnétiques semblent moins
riches, mais l'introduction progressive du magnétisme permet justement de maintenir leur
caractère de "bons" semi-conducteurs, propices à des études assez fines. De plus, ils s'insèrent