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Theses Year : 2016

Spectroscopy of photoelectric processes in III-N structures and devices

Spectroscopie des processus photoélectriques dans les structures et dispositifs III-N



In spite of the rapid technological progress in nitrides, the intrinsic properties of nitride alloys and the physics of III-N devices are still not well understood. In the course of my thesis work, novel experimental and theoretical approaches to tackle the study of the microscopic mechanisms governing the electronic properties of nitride semiconductors have been developed. A new experimental technique allowing to directly measure the energy distribution of conduction electrons of an operating LED is explored. This approach allows the direct observation of hot electron populations excited in the optoelectronic device under electrical operation and emitted in ultra-high vacuum. A recent theory of localization in disordered systems is applied to nitride materials and optoelectronic devices. This method allows for the first time the determination of the localization landscape induced by alloy disorder without resorting to the Schrödinger equation. Experimentally, a clear signature of alloy disorder is observed by biased photocurrent spectroscopy of InGaN quantum wells in the form of an Urbach tail for below-gap excitation and is found to be in excellent agreement with the predictions given by the novel localization theory.
Malgré les rapides progrès technologiques dans les nitrures, les propriétés intrinsèques des alliages de nitrures et les processus physiques qui gouvernent la physique de ces dispositifs sont encore mal connus. Au cours de mon travail de thèse, de nouvelles approches expérimentales et théoriques ont été développées pour aborder l’étude des mécanismes microscopiques qui gouvernent les propriétés électroniques des dispositifs à base de nitrures semi-conducteurs. Une nouvelle technique expérimentale permettant de mesurer directement la distribution en énergie des électrons de conduction d’une LED en fonctionnement est explorée. Cette approche permet l’observation directe de populations d’électrons chauds excités dans le dispositif optoélectronique sous injection électrique et émis dans l’ultravide. Une théorie récente de la localisation dans les systèmes désordonnés est appliquée aux matériaux et dispositifs optoélectroniques à base de nitrures. Cette méthode permet pour la première fois la détermination du paysage de localisation induit par le désordre d’alliage sans résoudre l’équation de Schrödinger. Expérimentalement, une signature claire du désordre d’alliage est observée par des mesures de spectroscopie de photocourant dans des puits quantiques d’InGaN sous forme d’une queue d’Urbach pour des excitations d’énergie inférieure à la largeur de la bande interdite. Ceci permet de définir une énergie caractéristique du désordre qui est en excellent accord avec les prédictions fournies par la nouvelle théorie de la localisation.
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Marco Piccardo. Spectroscopie des processus photoélectriques dans les structures et dispositifs III-N. Autre [cond-mat.other]. Université Paris Saclay (COmUE), 2016. Français. ⟨NNT : 2016SACLX056⟩. ⟨tel-01433533⟩
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