Dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI semimagnétiques en épitaxie par jets moléculaires - Laboratoire interdisciplinaire de Physique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1998

Dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI semimagnétiques en épitaxie par jets moléculaires

Alexandre Arnoult

Résumé

A theoretical preliminary study to this thesis has shown that when a two-dimensional (2D) hole gas is introduced in a semimagnetic semiconductor quantum well, the interaction between the localised spins and the charge carriers induce a ferromagnetic phase transition. We have elaborate such heterostructures, based on tellurides, by molecular beam epitaxy. We have also characterised the interfaces at microscopic level, and we have controlled the doping levels and the charge transfer into the quantum wells. This allowed us to elaborate samples on which a series of physical studies could be done. Modulation doping of II-VI tellurium based semiconductor heterostructures by molecular beam epitaxy had been realised only for n-type doping on CdMgTe barriers with low magnesium content until our study. This alloy is however a key to obtain of a good quantum confinement in tellurides, especially for p-type doping, where higher Mg contents are needed. The use of an ECR nitrogen plasma source, which is a p-type dopant, and the optimisation of growth parameters allowed us to obtain a 2D hole gas of good density, as confirmed by optical spectroscopy, Hall effect and capacitance-voltage measurements. The study of interdiffused structures by SIMS, x-ray diffraction and optical spectroscopy allowed us to understand the degradation mechanisms during the growth of our layers containing both magnesium and nitrogen. A model based on nitrogen diffusion has been proposed. It has then been possible to realise semimagnetic structures in which the interaction between a 2D hole gas and localised manganese spins allowed us to put into evidence the theoretically foreseen ferromagnetic transition. In parallel, we have been testing with success aluminum as a new n-type dopant for molecular beam epitaxy, in thick layers and heterostructures. It can be used more widely than other dopants used until now. In particular, it allows good doping levels even in magnesium-containing layers.
Une étude théorique préliminaire à cette thèse a prévu que lorsque l'on introduit un gaz de trous bidimensionnel (2D) dans un puits quantique de semiconducteur semimagnétique, l'interaction entre les spins localisés et les porteurs de charges induit une transition de phase ferromagnétique. Nous avons mis au point l'élaboration d'un tel système à base de tellurures en épitaxie par jets moléculaires, ainsi que la caractérisation au niveau microscopique des interfaces, du dopage et du transfert de porteurs dans le puits quantique. Ceci nous a permis d'élaborer des échantillons ayant donné lieu à toute une série d'études physiques. Le dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à base de tellure en épitaxie par jets moléculaires n'avait été réalisé jusqu'à notre étude que pour un dopage de type n, sur des structures comportant du CdMgTe comme matériau barrière, avec peu de magnésium. Or cet alliage est la clef de la réalisation d'un bon confinement quantique dans les tellurures, surtout pour le dopage de type p où la concentration en Mg doit être augmentée. L'utilisation d'une source d'azote ECR, dopant de type p, et l'optimisation des paramètres de la croissance ont permis l'obtention d'un gaz de trous 2D de bonne densité, comme le montrent la spectroscopie optique, l'effet Hall et la capacité-tension. L'étude de structures interdiffusées par SIMS, diffraction de rayon X et spectroscopie optique, nous a de plus permis de mieux comprendre les mécanismes de dégradation en cours de croissance de nos couches comportant du magnésium, et dopées à l'azote. Un modèle basé sur la diffusion de l'azote a été proposé. Il a ensuite été possible de réaliser des structures semimagnétiques dans lesquelles l'interaction entre un gaz de trous 2D et des spins localisés de manganèse a permis la mise en évidence de la transition de phase ferromagnétique attendue théoriquement. Par ailleurs, un nouveau dopant de type n pour l'épitaxie par jets moléculaire des tellurures a été testé avec succès sur des couches épaisses, ainsi que pour des hétérostructures. Il s'agit de l'aluminium, dont le domaine d'utilisation est plus étendu que les autres dopants utilisés jusqu'à présent, puisqu'il permet d'obtenir une bonne efficacité même sur des couches comportant du magnésium.
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Dates et versions

tel-00002701 , version 1 (09-04-2003)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00002701 , version 1

Citer

Alexandre Arnoult. Dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI semimagnétiques en épitaxie par jets moléculaires. Physique [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 1998. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00002701⟩

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