Optique des semi-coiîtiucteiirs
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précaution de comparer ce qui est comparable, c'est-à-dire les propriétés des bandes aux
mêmes points de la zone de Brillouin. On le voit sur la figure 3.1 dans le cas de GaAIAs.
Cette loi, lorsqu'elle s'applique aux propriétés électroniques implique que les états soient
bien délocalisés et moyennent les irrégularités du potentiel, les deux aspects étant reliés
intimement. Alors, les effets d'alliages pourront être soit négligés, soit traités en perturbation.
Par exemple, on introduira une contribution supplémentaire à la diffusion des porteurs, ou une
largeur en énergie et en k des courbes de dispersion. Ou bien encore, on raisonnera à partir
d'états localisés, sur des distances grandes par rapport à la maille élémentaire ; cela permet de
les construire à partir des états délocalisés, dans l'esprit de I'EFA (Cf. parag. 3.1.4).
Il faut cependant savoir qu'une foi aveugle en la loi de Végard peut apporter de grosses
surprises. Dune part, certains alliages sont le siège de phénomènes de démixtion des atomes
qui conduisent à un ordre spontané ; c'est observé, par exemple, avec l'alliage GaInP,
intéressant car épitaxiable sur GaAs sans contenir d'aluminium. D'autre part, certaines
substitutions d'éléments isoélectroniques ne se passent pas "bien". C'est le cas, connu depuis
longtemps, de l'azote dans Gap, qui forme, à l'état d'impureté, un piège très profond pour les
électrons de conduction. La localisation se fait sur une distance qui n'est pas grande par
rapport à la maille ; en conséquence, l'état lié mélange des états de toute la zone de Brillouin,
ce qui d'ailleurs confère à ce matériau indirect de bonnes propriétés d'émetteur de lumière.
Pour des raisons sans doute similaires, les alliages GaAsN, qui sont étudiés depuis peu,
comportent des déviations considérables à la linéarité : en partant de GaAs (gap = 1.4 eV), le
gap de GaAsN commence par diminuer jusque, semble-t-il, moins de 1 eV avant,
probablement, de remonter vers celui de GaN (3 eV).
3. I .2 L'épitaxie.
Un autre prérequis pour la physique des hétérostructures est la possibilité de réaliser de
bonnes épitaxies. L'épitaxie idéale pourrait être considérée comme une vue de l'esprit, mais
c'est un fait que la Nature nous la laisse entrevoir. Elle repose sur la continuité du réseau
cristallin au travers de l'interface, celle-ci étant aussi abrupte et plane que possible. Comme
pour les alliages, on comprend que dans la plupart des cas, l'épitaxie allie des matériaux de la
même famille et aussi de même structure cristalline (le plus souvent cubique zinc-blende).
Pour l'ingénieur en structure de bande, des tableaux tels celui de la figure 3.2 sont une source
d'inspiration. Source partielle, car il est difficile d'y faire figurer toutes les informations de la
structure de bande, gap direct ou indirect, décalage de bande entre les divers matériaux ...
La continuité du réseau ne peut être maintenue sur de grandes épaisseurs que si les
matériaux ont à très peu près (<1/1000) les mêmes paramètres cristallins naturels, c'est-à-dire
à l'état massif. C'est le cas pour GaAs, AlAs et leurs alliages et, dans ude moindre mesure,
pour HgTe, CdTe et leurs alliages. Mais l'utilisation d'alliages de concentration
judicieusement déterminée permet de contourner cette difficulté ; les meilleurs exemples en
sont Gao~,Ino,5,As et A10,,,Ino,5,As, tous deux accordés sur InP.
Lorsque le désaccord de maille reste, typiquement, inférieur à 1%, il est souvent possible
de faire croître des couches peu épaisses, des puits quantiques par exemple, dont la structure
se déforme élastiquement sous l'effet de la contrainte pour adapter les paramètres de maille
dans le plan. On parle de croissance pseudo-morphique, la structure pouvant rester
d'excellente qualité, avec une densité limitée de défauts ponctuels ou étendus. Il n'en est plus
de même au-delà dune épaisseur critique, où la couche minimise son énergie élastique, relaxe
plastiquement, en émettant des dislocations. Cette épaisseur critique est, grosso modo,
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précaution de comparer ce qui est comparable, c'est-à-dire les propriétés des bandes aux
mêmes points de la zone de Brillouin. On le voit sur la figure 3.1 dans le cas de GaAIAs.
Cette loi, lorsqu'elle s'applique aux propriétés électroniques implique que les états soient
bien délocalisés et moyennent les irrégularités du potentiel, les deux aspects étant reliés
intimement. Alors, les effets d'alliages pourront être soit négligés, soit traités en perturbation.
Par exemple, on introduira une contribution supplémentaire à la diffusion des porteurs, ou une
largeur en énergie et en k des courbes de dispersion. Ou bien encore, on raisonnera à partir
d'états localisés, sur des distances grandes par rapport à la maille élémentaire ; cela permet de
les construire à partir des états délocalisés, dans l'esprit de I'EFA (Cf. parag. 3.1.4).
Il faut cependant savoir qu'une foi aveugle en la loi de Végard peut apporter de grosses
surprises. Dune part, certains alliages sont le siège de phénomènes de démixtion des atomes
qui conduisent à un ordre spontané ; c'est observé, par exemple, avec l'alliage GaInP,
intéressant car épitaxiable sur GaAs sans contenir d'aluminium. D'autre part, certaines
substitutions d'éléments isoélectroniques ne se passent pas "bien". C'est le cas, connu depuis
longtemps, de l'azote dans Gap, qui forme, à l'état d'impureté, un piège très profond pour les
électrons de conduction. La localisation se fait sur une distance qui n'est pas grande par
rapport à la maille ; en conséquence, l'état lié mélange des états de toute la zone de Brillouin,
ce qui d'ailleurs confère à ce matériau indirect de bonnes propriétés d'émetteur de lumière.
Pour des raisons sans doute similaires, les alliages GaAsN, qui sont étudiés depuis peu,
comportent des déviations considérables à la linéarité : en partant de GaAs (gap = 1.4 eV), le
gap de GaAsN commence par diminuer jusque, semble-t-il, moins de 1 eV avant,
probablement, de remonter vers celui de GaN (3 eV).
3. I .2 L'épitaxie.
Un autre prérequis pour la physique des hétérostructures est la possibilité de réaliser de
bonnes épitaxies. L'épitaxie idéale pourrait être considérée comme une vue de l'esprit, mais
c'est un fait que la Nature nous la laisse entrevoir. Elle repose sur la continuité du réseau
cristallin au travers de l'interface, celle-ci étant aussi abrupte et plane que possible. Comme
pour les alliages, on comprend que dans la plupart des cas, l'épitaxie allie des matériaux de la
même famille et aussi de même structure cristalline (le plus souvent cubique zinc-blende).
Pour l'ingénieur en structure de bande, des tableaux tels celui de la figure 3.2 sont une source
d'inspiration. Source partielle, car il est difficile d'y faire figurer toutes les informations de la
structure de bande, gap direct ou indirect, décalage de bande entre les divers matériaux ...
La continuité du réseau ne peut être maintenue sur de grandes épaisseurs que si les
matériaux ont à très peu près (<1/1000) les mêmes paramètres cristallins naturels, c'est-à-dire
à l'état massif. C'est le cas pour GaAs, AlAs et leurs alliages et, dans ude moindre mesure,
pour HgTe, CdTe et leurs alliages. Mais l'utilisation d'alliages de concentration
judicieusement déterminée permet de contourner cette difficulté ; les meilleurs exemples en
sont Gao~,Ino,5,As et A10,,,Ino,5,As, tous deux accordés sur InP.
Lorsque le désaccord de maille reste, typiquement, inférieur à 1%, il est souvent possible
de faire croître des couches peu épaisses, des puits quantiques par exemple, dont la structure
se déforme élastiquement sous l'effet de la contrainte pour adapter les paramètres de maille
dans le plan. On parle de croissance pseudo-morphique, la structure pouvant rester
d'excellente qualité, avec une densité limitée de défauts ponctuels ou étendus. Il n'en est plus
de même au-delà dune épaisseur critique, où la couche minimise son énergie élastique, relaxe
plastiquement, en émettant des dislocations. Cette épaisseur critique est, grosso modo,