There are many potential areas for the utilization of GaN-based nitride materials, including ultraviolet photodetectors. Ultraviolet photodetectors are used in the military for missile plume detection and space communications. Medically, ultraviolet photodiodes are used in monitoring skin cancer. Schottky barrier metal-semiconductor contacts are choice devices for the manufacture of ultraviolet photodiodes due to higher short wavelength sensitivity and fast response. They also require simple fabrication technology; suffer lower breakdown voltages, and record larger leakage currents at lower voltages as compared to p-n structures of the same semiconductor material. Thus the formation of a Schottky contact with high barrier height, low leakage current, and good thermal stability in order to withstand high temperature processing and operation are some of the most important factors in improving the performance of Schottky barrier photodiodes to be used for ultraviolet detection. The first stage of this study was to establish a chemical cleaning and etching technique. It was found that KOH was suitable in reducing C from the surface and that (NH4)2S further reduced the surface oxides. The next phase of the work was to select a metal that will allow UV light to pass through at a high transmission percentage: a combination of annealed Ni/Au was found to be ideal. The transmission percentage of this alloy was found to be above 80%. The next phase was the fabrication of Ni/Au Schottky barrier diodes on GaN to study the electrical characteristics of the diodes. Electrical characterization of the diodes showed that the dominant current transport mechanism was thermionic emission, masked by the effects of series resistance, which resulted from the condition of the GaN surface. Finally, we fabricated GaN UV photodiodes and characterized them in the optoelectronic station designed and produced during this research. Device responsivity as high as 31.8 mA/W for GaN and 3.8 mA/W for AlGaN were recorded. The calculated quantum efficiencies of the photodiodes were 11 % for GaN and 1.7 % for AlGaN respectively. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2010. / Physics / unrestricted

Le but de cette thèse a été d'étudier les propriétés structurales et optiques de puits quantiques (PQs) d’InGaN/(Al)GaN obtenus par épitaxie en phase vapeur d’organométalliques. Différentes approches ont été mises en œuvre pour atteindre une émission dans le vert-jaune: la première utilisant une concentration d'indium ≥ 20% avec un PQ d’InGaN d’épaisseur <3.0 nm et vice versa. L'effet d'une couche d’encapsulation a également été étudié. Les techniques de microscopie à force atomique, de diffraction des rayons X, de photoluminescence (PL) et surtout de microscopie électronique à transmission (MET) ont été utilisées pour caractériser ces structures. Les épaisseurs des PQs et les compositions en indium ont été déterminées par le traitement numérique des franges de réseau dans les images MET haute résolution en section transverse. Un traitement original a été développé pour analyser quantitativement les fluctuations de l’épaisseur des PQs. L'analyse structurale des PQs ayant une composition en In élevé a montré que les défauts structuraux sont créés dans les PQs. La nature et la densité de ces défauts ont été déterminées et différents mécanismes pour leur formation ont été proposés. Il a également été montré que quelques monocouches d’encapsulation de GaN ou d’AlGaN déposées à la température de croissance des PQs limitent l’évaporation et/ou la diffusion d’indium. Ce procédé permet d’étendre la longueur d'onde d'émission avec une réduction de la dégradation de l'efficacité de la PL. Mon travail propose quelques pistes afin d'obtenir un bon compromis entre les paramètres contradictoires qui régissent l'efficacité des PQs émettant dans le vert-jaune. / The goal of this thesis was to study the structural and optical properties of InGaN/(Al)GaN multiple QWs grown by metal organic chemical vapor deposition. Different approaches have been implemented to achieve green-yellow emission: high indium concentration (≥ 20%) with low InGaN QW thickness (< 3 nm) or vice versa. Moreover, the effect of a capping layer on top of the QWs has also been investigated. Atomic force microscopy, X-ray diffraction, room temperature photoluminescence (RTPL) and mainly transmission electron microscopy (TEM) techniques have been used to characterize these structures. The QW thicknesses and indium compositions have been determined by digital processing of lattice fringes in cross-sectional high resolution TEM images. An original treatment has been developed to analyze quantitatively InGaN QW thickness fluctuations. The structural analysis of multiple QWs with high indium composition has shown that structural defects are created in the QWs. The nature and the density of these defects have been determined and different mechanisms for their formation have been proposed. It has also been shown that a few monolayers of AlGaN or GaN capping layers deposited at the InGaN QW growth temperature prohibited indium evaporation and/or diffusion. It therefore helps to extend the emission wavelength with a reduced degradation of the RTPL efficiency. My work offers a few ways to obtain a good compromise between the conflicting parameters that govern the efficiency of QWs emitting in the green-yellow spectrum range.

Le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages ternaires et quaternaires suscitent de plus en plus d’intérêt dans les communautés scientifiques et industrielles pour leur potentiel d’utilisation dans des dispositifs électroniques haute fréquence, dans les transistors à forte mobilité électroniques, dans la photo-détection UV et les cellules solaires de nouvelles générations. L’aboutissement de ces nouveaux composants reste entravé à l’heure actuelle, entre autre, par la non maîtrise des techniques d’établissement de contacts électriques. C’est dans ce cadre général que s’inscrivent les travaux de cette thèse. Même si l’objectif principal de cette thèse concerne l’étude des défauts électriquement actifs dans les alliages de semiconducteurs à grand gap B(AlGa)N et de leur rôle dans les propriétés de transport, la réalisation des contacts ohmiques et des contacts Schottky constitue une étape essentielle dans la réalisation des dispositifs à étudier. Pour les contacts ohmiques, nous avons déposé des couches de type Ti/Al/Ti/Au (15/200/15/200) par évaporation thermique. Des résistances spécifiques des contacts de l’ordre de 3x10-4Wcm2 ont été déterminées par les méthodes des TLM linéaires et confirmées par les TLM circulaires. Une modélisation théorique a été entreprise dans ce sens pour analyser les mesures expérimentales. Ensuite on a réalisé des diodes Schottky en déposant des contacts métalliques de Platine (Pt) d’épaisseur 150 nm. Des facteurs d’idéalité de 1.3 et une hauteur de barrière de 0.76 eV ont été obtenus et d’une manière reproductible. Une fois ces dispositifs réalisés, une étude des mécanismes de transport a été entreprise et nous a permis de mettre en évidence l’existence des effets tunnel direct et assisté par le champ, en plus de l’effet thermoïonique classique. Ceci a été mis en évidence par des mesures de courant et de capacité en fonction de la température. Pour les photodétecteurs, nous avons réalisés les mêmes mesures de courant et de capacité à l’obscurité et sous illumination à des longueurs d’ondes adaptées. Ces mesures nous ont permis de comprendre les phénomènes de gain qu’on a observés sur ces échantillons et aussi de mettre en évidence des mécanismes thermiquement actifs, dont les énergies d’activation ont été déterminées par la technique de l’Arrhenius. L’étude des défauts électriquement actifs a été menée par la technique transitoire de capacité de niveaux profonds, la (DLTS). Cette technique a été récemment mise en oeuvre au laboratoire et nous a permis d’effectuer des mesures sous différentes conditions incluant diverses polarisations de repos, différentes fréquences, et différentes hauteurs et largeurs d’impulsion de polarisation. Un des résultats importants est la possibilité de caractérisation à la fois des pièges à majoritaires et des pièges à minoritaire en changeant simplement les conditions de polarisation et contrairement aux procédures habituelles où une excitation optique supplémentaire est souvent nécessaire pour augmenter la concentration des porteurs minoritaires. Il a ainsi été mis en évidence, en accord avec la plupart des résultats de la littérature, l’existence de 6 pièges à électrons, tous situés en dessous de 0.9 eV de la bande de conduction, de trois pièges à trous dans l’intervalle 0.6 - 0 .7 eV au dessus de la bande de valence et un piège à trous distribué à l’interface. Une procédure rigoureuse de fit a été mise au point et a permis de confirmer nos résultats obtenus par la procédure classique de l’Arrhenius / Gallium nitride (GaN) and its ternary and quaternary alloys are attracting more and more interest in the scientific and industrial communities for their potential for use in high frequency electronic devices, for transistors with high electronic mobility, for UV photo-detection and new-generation solar cells. The outcome of these new components is still be seen to be limited in many areas, mainly due to the lack of control of electrical contacts implementation techniques. It is in this context that this thesis takes place.Although the main objective of this thesis deals with the study of the electrically active defects in high band gap B(AlGa)N semiconductor alloys and their role in the transport properties, the production of ohmic and Schottky contacts is an essential step in the realization of the devices under study. For the Ohmic contacts, we have deposited Ti/Al/Ti/Au (15/200/15/200) layers by thermal evaporation. Using the Transfer Length Method (TLM), we obtained specific contact resistances in the order of 3x10-4Wcm2. The Circular TLM has also confirmed this result. Besides, a theoretical modelling has been carried out to analyse the experimental measurements. Schottky diodes were then produced by depositing 150 nm platinum (Pt) metal contacts. An ideality factor of 1.3 and a barrier height of 0.76 eV were obtained. On the other hand, a study of transport mechanisms has been performed. It allowed us to demonstrate the existence of the direct tunnelling and the Thermionic Field Emission, in addition to the conventional thermionic effect. This result was underpinned by current and capacity measurements as a function of temperature. For photo detectors, we performed the same measurements of current and capacity in darkness and under illumination at suitable wavelengths. These measurements allowed understanding the internal gain that was observed on the samples. Furthermore, they show the effect of the thermally active mechanisms whose activation energies were determined by the Arrhenius technique. Using the Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) technique followed up the study of the electrically active defects. This technique has recently been implemented in the laboratory. It allowed us to perform measurements under different conditions including various reverse bias, different frequencies, and different voltage pulse amplitudes and durations. One of the important results is the possibility of characterizing both majority and minority traps by simply changing the polarization conditions, as opposed to the usual procedures where an additional optical excitation is often necessary to increase the concentration of the minority carriers. In accordance with most of the encountered literature results, we found 6 electron traps all located below 0.9 eV of the conduction band, 3 hole traps in the 0.6-0.7 eV range above the valence band and one hole trap distributed at the interface. A rigorous procedure was developed and confirmed our results obtained by the standard Arrhenius technique