Electronic properties of III-nitrides single and multiple quantum wells for optoelectronic applications

Abstract

Ce travail, réparti en six chapitres, porte sur l'étude de l'énergie de liaison dans les puits quantiques simples et multiples à base de nitrures III. Compte tenu des décalages de masse effective et diélectrique entre le puits et sa matrice environnante, les calculs numériques sont effectués dans le cadre de la bande parabolique et des approximations de masse effective à bande unique sous la barrière de potentiel finie en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). Pour être proche de la réalité, l'effet de diffusion à l'interface entre le puits et la barrière est pris en compte et une expression de la masse effective et de la constante diélectrique est adoptée. De plus, les dépendances à la pression et à la température de la masse effective et de la constante diélectrique ont été prises en compte. Dans le premier chapitre, nous avons présenté un aperçu général des nanostructures à base de nitrures III, leurs classifications et leurs domaines d'application. Nous avons également rappelé les propriétés électroniques et les méthodes de résolution numérique. Dans le deuxième chapitre, nous avons étudié l'énergie de liaison d'une impureté hydrogène peu profonde dans des puits quantiques à simple et double couplage à base de (In,Ga)N/GaN hexagonal. L'énergie de liaison augmente sous l'effet du couplage, et elle diminue pour une impureté excentrée. Dans le troisième chapitre, nous avons calculé l'énergie de liaison d'une impureté donneuse 1s dans des puits quantiques symétriques à double couplage basés sur l'hexagone (In,Ga)N/GaN. Nous avons montré que l'énergie de liaison augmente (diminue) avec la pression pour les puits épais (minces) et qu'elle diminue avec le couplage des puits. Dans le quatrième chapitre, nous avons étudié l'énergie de liaison de l'état fondamental et des deux premiers états excités de l'impureté hydrogénée au centre du double puits quantique (In,Ga)N/GaN pour des confinements de forme rectangulaire, parabolique et triangulaire. Les effets de la largeur du puits et de la concentration en indium ont été pris en compte dans les calculs. L'énergie de liaison diminue avec la température et dépend de la forme du potentiel de confinement. Nous avons ainsi montré que l'énergie de liaison est plus importante pour les confinements de forme parabolique et triangulaire que pour la forme rectangulaire. Dans le chapitre cinq, nous avons étudié l'énergie de liaison de l'état fondamental et des deux premiers états excités de l'impureté hydrogénée au centre de puits quantiques doubles (Al,Ga)N/AlN pour des confinements de forme rectangulaire, parabolique et triangulaire, sous la effets combinés de la température et du champ électrique. Ses résultats montrent que la dimension du système et la forme géométrique ont une influence significative sur l'énergie de liaison. Cette dernière diminue en fonction du champ électrique et de la température. L'énergie de liaison dépend fortement de la position de l'impureté, elle diminue lorsque l'impureté se déplace du centre vers le bord. Dans le dernier chapitre, nous avons montré que le rendement de conversion photovoltaïque peut être modulé en optimisant le nombre de puits quantiques et les épaisseurs du puits, et la barrière dans la couche active des cellules solaires.