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AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l'utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale.

Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 I a

Université

de METZ présentée au

Département

de physique de

L'Université

de

Sherbrooke

(Québec) et au

Centre

Lorrain

d'optique et d'électronique des

Solides

de l'université de Metz (France) en vue de l'obtention des grades de

DocCeur-&sciences

(PhD,

Universite

de

Sherbrooke)

et du

Dipl6me

de

Doctorat

de l'U&$d&B de Metz

Spdcialité

Electronique

Ecole

Doctorale

PROMEMA

Électroluminescence

en avalanche des jonctions p-n B base de silicium et d9ars8niure de gallium, et effet d'irradiation Sidi

Aboujja

Soutenance

le 04

Octobre

2000
devant le jury composé de: C

CarIone

Professeur, Université

de

Sherbrooke

J,-P.

Charles

Professeur,

Université

de Metz F.

Dujardin

W. de

Conférences,

Université

de Metz A.

HaBinana

W.de

Codérences,

Université

de Metz S.E. Kerns

Professeur,

OLN

University

D.V. Kerns

Professeur,

OLIN

University

C.

Llinarès

Professeur,

U~versité-Montpellier

2 P.

MIalhe

Professeur,

Universitk

de

Perpignan

Co-directeur

de thèse

Co-directeur

de thèse

Examinateur Examinateur Examinateur

Examinateur Rapporteur

Rapporteur

- - -- -.-.A

6BiIOMQUE UNlVERSlTAtRE

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Université de METZ

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SHERBROOKE

THESE présentée au Département de physique de l'université de Sherbrooke (Québec) et au Centre Lorrain d'optique et d'électronique des Solides de l'université de

Metz (France)

en vue de l'obtention des grades de

Docteur-ès-sciences

(PhD, Université de Sherbrooke) et du Diplôme de Doctorat de l'université de Metz

Spécialité

: Electronique

Ecole Doctorale

: PROMEMA Électroluminescence en avalanche des jonctions p-n a base de silicium et d'arséniure de gallium, et effet d'irradiation

Sidi Aboujja

Soutenance le 04 Octobre 2000 devant le jury composé de: C. Carlone Professeur, Université de Sherbrooke

J.-P. Charles Professeur, Université de Metz

F. Dujardin Me. de Conférences, Université de Metz A. Hoffmann Me.de Conférences, Université de Metz

S.E. Kerns Professeur, OLIN University

D.V. Kerns Professeur, OLIN University

C. Llinarès Professeur, Université-Montpellier 2 P. Mialhe Professeur, Université de Perpignan Co-directeur de thèse

Co-directeur de thèse

Examinateur

Examinateur

Examinateur

Examinateur

Rapporteur

Rapporteur

Je dédie cette thèse à mon père

Mohamed Lamine

Sommaire

Dans ce travail de thèse nous étudions l'électroluminescence (EL) des jonctions à base de

silicium (Si) et d'arséniures de gallium (GaAs), polarisées en avalanche.

Dans le cas des jonctions p-n

à base de Si (semi-conducteur à gap indirect), la polarisation

en direct est accompagnée d'une émission de lumière dans l'infrarouge. Cette émission est due

à la recombinaison des électrons-trous à travers le gap indirect appelée recombinaison

interbande. La polarisation en avalanche est accompagnée d'une émission de lumière dans le visible. Cette émission fait l'objet de controverses depuis sa découverte en

1955. Il n'y a pas

encore un accord définitif sur son origine. Une des causes du désaccord est la forme spectrale

du signal qui apparaît non reproductible. Souvent les spectres sont présentés sans correction

par la réponse du système de détection. La plupart des modèles proposés pour expliquer cette émission en avalanche se basent sur les transitions entre la bande de conduction et la bande de valence appelés modèles

interbandes. Pour vérifier sa validité, nous avons exposé les jonctions aux irradiations dans le

but d'introduire des défauts dans la bande interdite et nous avons fait varier la température afin

de changer le gap et la population des porteurs. Nous avons observé que l'EL dans le mode de polarisation directe chute suite aux irradiations et

à la baisse de température, comme prévu.

Mais l'EL en avalanche est insensible à ces deux perturbations. Par conséquent nous avons rejeté le mécanisme de recombinaison interbande. Pour expliquer l'émission en avalanche nous proposons des transitions entre d'autres niveaux excités appelés sous-bandes de

conduction. La mesure de durée de vie qui s'est révélée courte suggère des transitions directes

entre sous-bandes de conduction. La confrontation de la structure de bandes d'énergie et l'expérience nous à permis d'attribuer cette émission en avalanche à des transitions entre les sous-bandes de conduction T,et T', et / ou entre les extrema des sous bandes associées aux niveaux r'12 - r'2. Pour mieux comprendre cette émission en avalanche nous avons étudié l'EL des jonctions

à base de GaAs, car ce matériau a un coefficient d'absorption différent de celui de Si à cause

de son gap direct. Contrairement au Si, le spectre d'EL des jonctions

à base de GaAs

polarisées en avalanche contient deux transitions séparées, une première

à 1.44 eV et une

deuxième à 1.95 eV. La première est voisine de l'énergie du gap de GaAs (1.43 eV) et a la même origine interbande que l'émission dans le mode de polarisation directe, la deuxième dont l'origine est controversée a une énergie plus grande que celle du gap. Cette dernière transition correspond à une émission dans le jaune, exactement comme l'émission en avalanche des jonctions à base de Si. Pour clarifier son origine, nous avons effectué les mêmes expériences que pour le Si en exposant les jonctions aux irradiations et en changeant la température. Les deux transitions ont un comportement différent avec l'irradiation et la température. Par conséquent, nous rejetons le modèle interbande pour la transition

à 1.95 eV.

Des transitions entre une bande excitée et la bande de valence ont été proposées, mais

l'énergie calculée de ces transitions dépasse largement 1.95 eV. Nous pensons plutôt que la

transition à 1.95 eV est une transition indirecte entre la deuxième sous-bande de conduction et le minimum de la première sous-bande de conduction. Cette interprétation est en accord avec

la valeur de l'énergie calculée et avec les résultats des mesures en fonction de température et

de l'irradiation. En résumé, ce travail montre que dans les jonctions

à base de Si et de GaAs polarisées en

avalanche, la lumière est émise entre deux niveaux excités sans impliquer la bande de valence.

Remerciements

Je tiens tout d'abord à remercier chaleureusement mes deux directeurs de thèse: Cosmo

Carlone et Jean-Pierre Charles.

Le premier, pour la confiance qu'il m'a accordée en m'accueillant dans son laboratoire, et pour avoir dirigé mon travail de recherche dans une

ambiance agréable. Durant les trois années passées avec lui, j'ai pu apprécier et profiter de ses

compétences scientifiques et de ses qualités humaines. Le second pour m'avoir initié

à la

recherche, pour avoir donné l'idée de ce sujet de thèse et spécialement pour m'avoir mis en

contact avec l'université de Sherbrooke en suggérant un programme de cotutelle de thèse. Que mes deux directeurs de thèse trouvent dans ce témoignage l'expression de ma profonde reconnaissance pour les conseils et les facilités qu'ils ont pu me procurer quand j'en avais besoin. Durant ces quatre années, j'ai eu la chance de travailler avec le maître de conférence

Alain Hoffmann

à Metz et l'assistant de recherche Martin Parentaux à Sherbrooke. Ils étaient constamment disponibles pour tous les problèmes que j'ai pu rencontrer durant ma thèse. J'ai pu profiter de leurs compétences techniques ainsi que de leurs connaissances en physique des semiconducteurs et en microélectronique. Je tiens à les remercier tous les deux à leurs justesquotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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