Al(Ga)N/GaN nanostructures for intersubband optoelectronics in the near- and mid-infrared
Nanostructures Al(Ga)N/GaN pour l'optoélectronique intersousbande dans l'infrarouge proche et moyen
Résumé
This work reports on the design, epitaxial growth and characterization of Al(Ga)N/GaN quantum wells (QWs) and quantum dots (QDs) which constitute the active region of intersubband (ISB) devices operating in the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral regions. Growth of these structures was performed using molecular beam epitaxy. The deposition process required fine tuning due to the large lattice mismatch. Infrared optical characterization demonstrates that the polarization-induced internal electric fields introduces a blue shift of the transitions and can critically modify the absorption magnitude. Three-dimensionally confined GaN/AlN QDs introduces many novel properties for application as active region in ISB devices. The growth of QDs was performed under both Ga-rich and N-rich conditions. Dilution of QDs with required size was achieved using the enhanced-mobility condition of the Ga-rich method. Spectroscopic studies reveal absence of non-radiative recombination even in long lived QDs. Photodetectors fabricated on GaN/AlN QD superlattices present photocurrent at NIR and MIR, assigned to s-pz and s-pxy transitions, respectively. The dark current depends on the QD density due to hopping transport. Foreseeing the importance of ISB devices in MIR and far-infrared regions of the spectrum, we have achieved ISB wavelength extension up to ~ 10 µm. This was performed basically by decreasing the internal electric-field and reducing the quantum confinement in GaN/AlGaN QW superlattices. Doping can induce a blue shift of more than 50% of the ISB transition energy, due to many-body effects.
Ce travail a porté sur la modélisation, l'épitaxie et la caractérisation de puits quantiques et de boîtes quantiques Al(Ga)N/GaN, qui forment la région active de composants intersousbande (ISB) opérant dans l'infrarouge proche (NIR) et l'infrarouge moyen (MIR). La croissance de ces structures a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires. La caractérisation optique infrarouge montre que les champs électriques induits par la polarisation introduisent un décalage vers le bleu des transitions et peuvent modifier de façon critique la magnitude de l'absorption. Les boîtes quantiques (QDs) de GaN/AlN confinées en trois dimensions introduisent de nombreuses nouvelles propriétés pour leur utilisation en tant que région active de composants ISB. La croissance des QDs a été réalisée dans des conditions riche-Ga et riche-N. Les études spectroscopiques révèlent l'absence de recombinaisons non radiatives même dans le cas de QDs ayant des longs temps de vie. Les photodétecteurs fabriqués à partir de superréseaux de QDs de GaN/AlN présentent un photocourant dans le NIR et dans le MIR attribué respectivement aux transitions s-pz et s-pxy. Le courant d'obscurité dépend de la densité des QDs dû au transport hopping. Prévoyant l'importance des composants ISB dans les régions spectrales du MIR et de l'infrarouge lointain, nous avons obtenu une extension de la longueur d'onde ISB jusqu'à ~ 10 µm. Ce résultat a été obtenu en diminuant le champ électrique interne et en réduisant le confinement dans les puits quantiques GaN/AlGaN. Le dopage peut introduire un décalage vers le bleu de plus de 50% de l'énergie de transition ISB dû aux effets des corps multiples.
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