Cathodoluminescence in semiconductor structures under local tunneling electron injection - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2015

Cathodoluminescence in semiconductor structures under local tunneling electron injection

Étude du transport dans les dispositifs semi-conducteurs par cathodoluminescence sous injection tunnel locale

Abstract

The thesis objective is to study transport and recombination phenomena at the nanoscale in semiconductor structures incorporating quantum wells. The experimental approach consists in injecting electrons locally by the tip of a scanning tunneling microscope and detecting the luminescence due to the recombination of electrons transmitted through the structure and captured by the quantum wells inserted at a distance from the surface. This all-optical measurement overcomes some of the limitations associated with usual techniques based on the electrical measurement of very small transmitted currents. In particular, it should allow addressing hot-electron transport through isolated nanostructures or through non-rectifying heterostructures, mapping electronic transport down to ultimate scales eventually in contacted devices under operation, exploiting spin filtering effects in ferromagnetic metal/semiconductor junctions. The main results obtained in the present work concerns the study GaN / InGaN / GaN structures that form the basis of wide-bandgap light-emitting devices for lighting. Excitation spectroscopy of the cathodoluminescence, obtained by measuring the light emitted from the InGaN quantum wells as a function of the electron injection energy, shows two regimes which may be related to the condumicroscopie à l'effet tunnelction band structure. Imaging of the cathodoluminescence evidences localization effects on the transport and radiative recombination process. These localization effects can be due to the disorder in the InGaN ternary alloy composition. Moreover, the severe tunneling injection conditions required to investigate minority carrier transport in large bandgap p-type semiconductor structures produce significant changes in the surface composition and morphology. The exploitation of these phenomena allowed us to control the formation of tip-induced patterns of nanometric dimensions on the GaN surface.
L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les phénomènes de transport électronique et de recombinaison à l’échelle nanométrique dans des structures semi-conductrices à puits quantiques. L’approche expérimentale retenue consiste à injecter les porteurs localement par la pointe d’un microscope à effet tunnel et à détecter la luminescence due à la recombinaison des électrons transmis à travers la structure et capturés par les puits quantiques insérés à distance de la surface. Cette mesure tout optique permet de s’affranchir des problèmes liés à la mesure électrique de très faibles courants transmis, d’envisager l’étude du transport à travers des nanostructures isolées et de réaliser une cartographie du transport aux échelles ultimes éventuellement dans des structures contactées en condition de fonctionnement. Les principaux résultats obtenus au cours de ce travail concernent l’étude de structure GaN/InGaN/GaN qui constituent la base des dispositifs électroluminescents pour l’éclairage. La spectroscopie d’excitation de la cathodoluminescence, obtenue en mesurant la lumière émise par les puits d’InGaN en fonction de l’énergie d’injection des électrons, montre deux régimes que l’on peut relier à la structure de la bande de conduction. Les images de cathodoluminescence mettent en évidence des effets de localisation des porteurs sur la recombinaison radiative dans les puits quantiques d’InGaN. Ces effets de localisation peuvent être reliés au désordre de composition de l’alliage ternaire. Par ailleurs, les conditions de forte injection nécessaires pour étudier le transport dans les structures semi-conductrices de type p de grande bande interdite produisent des modifications importantes de la surface. L’exploitation de ces phénomènes nous a permis de montrer la possibilité de modifier la surface du GaN sous la pointe tunnel et de réaliser des structures artificielles de dimensions nanométriques.
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Dates and versions

tel-01346834 , version 1 (19-07-2016)
tel-01346834 , version 2 (23-07-2016)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01346834 , version 1

Cite

Petr Polovodov. Cathodoluminescence in semiconductor structures under local tunneling electron injection. Physics [physics]. Ecole Doctorale de l'Ecole Polytechnique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01346834v1⟩
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