L’optique non linéaire et ses matériaux
Influence de la saturation des niveaux d’impuretés
sur la dynamique de la luminescence de couches épitaxiées
de nitrure de gallium
H. Haag, B. Honerlage, P. Gilliot et R. Lévy
Groupe d’Optique Non Linéaire et d’Optoélectronique, Institut de Physique et Chimie
des Matériaux de Strasbourg, UMR 7504 du CNRS, ULP, 23 rue du Loess, BP. 20 CR,
6703 7 Strasbourg cedex, France
Résumé : Nous avons étudié la dynamique de la luminescence de couches épitaxiées de nitrure de
gallium sur substrat de saphir. Sous fortes intensités d’excitation, nous observons une augmentation du
temps de recombinaison de la luminescence jaune. Ces résultats s’interprètent à l’aide de niveaux
d’impuretés situés 1 eV au-dessus de la bande de valence, jouant un rôle de réservoir saturable.
1. INTRODUCTION
Le nitrure de gallium est un semi-conducteur dont le gap est de 3,5 eV à température
ambiante [I]. I1 suscite actuellement un vif intérêt pour diverses raisons. Tout d’abord, ce
matériau permet la fabrication de diodes et de lasers émettant dans le bleu [2]. L’utilisation de
lasers bleus présente plusieurs avantages, dont le plus important concerne le stockage de
l’information. En effet, plus la longueur d’onde du faisceau est faible et plus sa tache de
focalisation sera petite. Avec une diode laser bleue émettant à 350 nm, il serait ainsi possible
de stocker quatre fois plus d’informations, à surface égale, qu’avec les diodes laser rouges
actuelles émettant à 635 nm. D’autres applications sont également possibles [3], notamment
dans le domaine de l’éclairage domestique puisque, à l’aide de diodes électroluminescentes à
base de nitrure, il est désormais possible de recréer l’intégralité du spectre visible. En effet, les
alliages GaInN et GaAlN permettent de couvrir la région de 1,95 à 6,20 eV de manière
continue suivant la concentration d’indium ou d’aluminium. L’enjeu commercial est
considérable lorsque l’on sait que les diodes électroluminescentes consomment deux fois
moins d’énergie que les ampoules à incandescence classiques et que leur durée de vie pourrait
être de plusieurs années. Actuellement, la durée de vie des lasers bleus est relativement
limitée [4] (environ 1000 h), ce qui est probablement dû à la mauvaise qualité cristalline des
couches.
Historiquement, le développement des lasers à base de GaAs et de ZnSe a montré que la
compréhension de la dynamique de recombinaison des porteurs a été le facteur clé pour la
réalisation de lasers à semi-conducteurs. Nous pouvons supposer qu’il en sera de même pour
les nitrures de la famille III-V. C’est dans ce cadre que se situent nos travaux.
Notre étude porte sur un échantillon de GaN de 2 pm d’épaisseur, obtenu par MOCVD
sur substrat de saphir. I1 existe un important désaccord de maille entre la couche de GaN et
Influence de la saturation des niveaux d’impuretés
sur la dynamique de la luminescence de couches épitaxiées
de nitrure de gallium
H. Haag, B. Honerlage, P. Gilliot et R. Lévy
Groupe d’Optique Non Linéaire et d’Optoélectronique, Institut de Physique et Chimie
des Matériaux de Strasbourg, UMR 7504 du CNRS, ULP, 23 rue du Loess, BP. 20 CR,
6703 7 Strasbourg cedex, France
Résumé : Nous avons étudié la dynamique de la luminescence de couches épitaxiées de nitrure de
gallium sur substrat de saphir. Sous fortes intensités d’excitation, nous observons une augmentation du
temps de recombinaison de la luminescence jaune. Ces résultats s’interprètent à l’aide de niveaux
d’impuretés situés 1 eV au-dessus de la bande de valence, jouant un rôle de réservoir saturable.
1. INTRODUCTION
Le nitrure de gallium est un semi-conducteur dont le gap est de 3,5 eV à température
ambiante [I]. I1 suscite actuellement un vif intérêt pour diverses raisons. Tout d’abord, ce
matériau permet la fabrication de diodes et de lasers émettant dans le bleu [2]. L’utilisation de
lasers bleus présente plusieurs avantages, dont le plus important concerne le stockage de
l’information. En effet, plus la longueur d’onde du faisceau est faible et plus sa tache de
focalisation sera petite. Avec une diode laser bleue émettant à 350 nm, il serait ainsi possible
de stocker quatre fois plus d’informations, à surface égale, qu’avec les diodes laser rouges
actuelles émettant à 635 nm. D’autres applications sont également possibles [3], notamment
dans le domaine de l’éclairage domestique puisque, à l’aide de diodes électroluminescentes à
base de nitrure, il est désormais possible de recréer l’intégralité du spectre visible. En effet, les
alliages GaInN et GaAlN permettent de couvrir la région de 1,95 à 6,20 eV de manière
continue suivant la concentration d’indium ou d’aluminium. L’enjeu commercial est
considérable lorsque l’on sait que les diodes électroluminescentes consomment deux fois
moins d’énergie que les ampoules à incandescence classiques et que leur durée de vie pourrait
être de plusieurs années. Actuellement, la durée de vie des lasers bleus est relativement
limitée [4] (environ 1000 h), ce qui est probablement dû à la mauvaise qualité cristalline des
couches.
Historiquement, le développement des lasers à base de GaAs et de ZnSe a montré que la
compréhension de la dynamique de recombinaison des porteurs a été le facteur clé pour la
réalisation de lasers à semi-conducteurs. Nous pouvons supposer qu’il en sera de même pour
les nitrures de la famille III-V. C’est dans ce cadre que se situent nos travaux.
Notre étude porte sur un échantillon de GaN de 2 pm d’épaisseur, obtenu par MOCVD
sur substrat de saphir. I1 existe un important désaccord de maille entre la couche de GaN et