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Photo-détecteurs UV à base d’alliages BGaN

La détection UV est utilisée dans nombre d’applications couvrant différents domaines. On peut citer par exemple la détection d’agents biologiques, la surveillance d’ozone, la détection de flammes, l’alerte au feu, la purification de l’eau, etc... De tels détecteurs doivent respecter certaines contraintes comme un fonctionnement à haute température, une grande sensibilité, un temps de réponse rapide, un faible coût ainsi qu’un faible courant d’obscurité. L’une des solutions techniques les plus intéressantes et les plus flexibles pour ces applications est l’utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite, tels que les matériaux III-N de type GaN.

Différentes structures (Fig. 1), telles que photoconducteurs, p-i-n, barrière de Schottky et métal/semi-conducteur/métal (MSM), peuvent être utilisées pour la réalisation de ces photo-détecteurs. La structure MSM est la plus appropriée même si sa sensibilité est a priori moindre. Néanmoins, récemment, il a été montré que ces structures peuvent présenter un gain interne, provenant d’un phénomène de piégeage de trous sur des centres profonds localisés sur les dislocations, lors de l’éclairement du composant, ce qui provoque une diminution de la hauteur de barrière Schottky, donnant lieu à l’apparition d’un photo-courant secondaire , où Id est le courant d’obscurité de la structure et ΔΦb la diminution de la hauteur de barrière Schottky.

Figure 1 : Les différents types de photo-détecteurs

Ce gain interne est d’autant plus grand que l’abaissement de la barrière de Schottky sous éclairement et le courant d’obscurité sont grands. Un courant d’obscurité important étant un inconvénient, il s’agit de trouver le meilleur compromis entre ces deux paramètres. Pour atteindre ce but nous proposons l’utilisation de l’alliage BGaN. En effet, l’incorporation du B dans GaN permet d’une part de contrôler la résistivité de la couche active et donc d’ajuster le courant d’obscurité, et, d’autre part, conduit à un matériau dont le nombre de pièges (lié aux défauts) est d'autant plus grand que la concentration en B est grande, ce qui permet de contrôler le gain interne. Les structures étudiées (présentées sur la Fig. 2) ont été caractérisées par mesures I-V, spectroscopie et transitoires de photo-courant (Fig.3).

Figure 2 : Structures étudiées

 

Figure 3 : Instrumentations utilisées

Résultats

(a) : L’incorporation du B permet de contrôler de façon importante le courant d’obscurité
(b) : L’incorporation du B déplace la longueur d’onde de coupure vers le rouge pour les faibles concentrations de B et vers l’UV pour les grandes concentrations.

(c) : L’incorporation du B diminue le gain interne sauf pour la structure en super réseau BGaN/GaN.
(d) : L’incorporation du B diminue le temps de réponse du transitoire de photo-courant mais aussi l’amplitude de la réponse sauf pour la structure en super réseau BGaN/GaN.

Conclusions

Comparées à la structure MSM à base de GaN, la structure

- BGaN (0,7% B) voit le courant d’obscurité réduit de 3 ordres de grandeur tout en conservant un gain élevé, mais avec un temps de réponse de l’ordre de quelques dizaine de microsecondes et une longueur d’onde de coupure décalée vers le rouge.

- BGaN-AlN SL voit le courant d’obscurité réduit de 9 ordres de grandeur sans gain interne et une longueur d’onde de coupure décalée dans l’UV profond (280 nm).

- BGaN-GaN SL (3,6% B) voit le courant d’obscurité réduit d’un ordre de grandeur, tout en conservant un gain élevé et un temps de réponse plus court.

L’incorporation du B dans le GaN sous forme de monocouche ou de super réseau permet de contrôler le courant d’obscurité, tout en maintenant un gain interne important et un temps de réponse faible.

 

Ce travail a été réalisé par Hussein SROUR et Sarrah AMOR, doctorants au LMOPS.