Materials have always had a large impact on society over the different ages. Piezoelectric materials are the often ‘invisible’ materials which find widespread use, unknown to the general public by large. Mobile electronics, automotive systems, medical and industrial systems are few of the key areas where ‘piezoelectricity’ is indispensable. The parking sensor of our car uses the effect and even the echo to image an unborn baby in a womb requires the exploitation of the piezoelectric effect. The work presented in this thesis investigates the piezoelectric effect in semiconductors, namely in III V, III N and II VI materials to have a better understanding and design potential applications in light emitting diodes (LEDs) and other electronic devices. The current work focuses on the non-linear behaviour in the strain of the piezo effect, which is manifested by the generation of electric field under crystal deformation. Previous works have already confirmed the reports of the existence of non-linear piezoelectric effects in zincblende III V semiconductors. Here, the same semiempirical approach using Density Functional Theory has been utilized to investigate the strain dependent elastic and dielectric properties of wurtzite III N materials. While we report the strong non-linear strain induced piezoelectric behaviour with second order coefficients, all spontaneous polarization terms are substantially smaller than the previously proposed values. We show that, unlike existing models, our calculated piezoelectric coefficients and nonlinear model provide a close match to the internal piezoelectric fields of quantum well and superlattice structures. Also, pressure dependence of the piezoelectric field in InGaN based LEDs predicts a significant improvement of the spontaneous emission rate can be achieved as a result of a reduction of the internal field. The LED devices using the proposed structures including a metamorphic layer under the active region of the device are expected to increase their light output power by up to 10%. We also explored the impact of the non-linear piezo effect in nanowires and present a further theoretical computational study of single photon sources optimization in InGaN based wurtzite single quantum dots. We observed the light emission can be made by those single photon sources covering the entire visible spectrum through suitable change in the alloy composition.

Les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures disposant de largeur de bande interdite allant de 0,7 à 6 eV, connaissent un intérêt sans cesse croissant pour le développement de dispositifs optoélectroniques du futur. Le but de ces travaux est d’étudier, de concevoir et de développer une photodiode de type PIN à base de matériaux InxGa1-xN et GaN déposés par MOCVD et MBE. Elle est étudiée en considérant différentes configurations de la couche absorbante InGaN, à savoir une couche simple épaisse (SL) ou des puits quantiques (MQW). Toutefois en jouant sur la composition x en indium de la couche InGaN, cela permet la mise au point de différente longueur d'onde d'absorption dans la structure PIN. Des analyses structurales, microstructurales et optiques ont été réalisées par RX, TEM, PL, AFM et MEB pour des photodiodes PIN avec une couche absorbante InGaN de composition en indium variant de 10 à 50%. Nous avons pu vérifier que la qualité du matériau se dégradait lorsque l'on augmentait la teneur en indium et que cela impactait sur les performances de composants. La conception de la structure PIN a été définie pour différentes géométries de photodiode (de 25 à 104 μm²). Des caractérisations statiques et dynamiques de dispositifs fabriquées ont été réalisées afin d'obtenir la réponse de la photodiode. Pour les photodiodes à grande échelle, la valeur de photocourant a atteint un maximum de 3,2 mA démontrant une fréquence de coupure de 940 MHz. La μ-photodiode a révélé 395 μA de photocourant et une fréquence de coupure 1,45 GHz. / III-Nitrides semi-conductor materials with flexible bandgap has revealed a major interest for the future development of optoelectronic devices. The aim of this work is to study, design and develop a PIN photodiode based on InxGa1-xN and GaN materials deposited by MOCVD and MBE. Different configurations are considered for the InGaN absorbent layer: a single layer (SL) and multiple quantum wells (MQW). In order to observe the shift in the absorption wavelength, the composition of the InGaN layer ranges from10 to 50%. Structural, microstructural and optical analysis are performed using XRD, TEM, PL, AFM and SEM. We have verified that the material quality promptly degrades when increasing the indium content which impacts on the device performances. The design of the PIN structure is governed by the limitation of the active surface (from 25 to 104 μm²) in order to limit the global capacitance. Different prototypes are fabricated in clean room before characterization. Static and dynamic characterizations have been realized to qualify the photodiode response. We have investigated the influence of the indium content on the electrical performance. For the large-scale photodiodes, photocurrent value has reached a maximum of 3.2 mA with laser power of 75 mW demonstrating cut-off frequency of 940 MHz. μ-photodiode has revealed 395 μA of maximal photocurrent with cut-off frequency of 1.45 GHz.

Thesis (Ph. D.)--Ohio University, 2001. / Title from PDF t.p.

Le travail illustré par ce manuscrit de thèse présente l'étude structurale d'hétéro-structures semi-conductrices à base de nitrures d'éléments III avec l'un des outils les plus puissants de la recherche scientifique: le rayonnement synchrotron. La cartographie haute résolution de l'espace réciproque, la diffraction anomale multi-longueur d'onde, la spectroscopie d'absorption X et la spectroscopie en condition de diffraction nous ont permis de caractériser la structure à l'échelle atomique de différentes régions d'un même système. Dans un premier temps, nous montrons que les nanofils GaN sur Si(111) ont une polarité N et proposons un mécanisme de nucléation. Dans un second temps, nous mettons en évidence un phénomène d'inter-diffusion stimulée par la contrainte dans les boîtes quantiques GaN / AlN recuites à haute température. Enfin, nous observons la présence d'un ordre local à courte distance dans les nanofils coeur-coquille InGaN / GaN. Cette organisation atomique pourrait être induite par la présence de contrainte, nous avons initié une étude de l'anisotropie de l'ordre à courte distance pour explorer cette hypothèse. / The work presented in this manuscript deals with the structural investigation of III-nitrides semiconductor heterostructures with one of the most powerful tools of materials science: the synchrotron radiation. We used high resolution reciprocal space mapping, multi-wavelenght anomalous diffraction, x-rays absorption spectroscopy and diffraction anomalous fine structure to characterize the structure at the atomic scale of complex nano-structured systems. First, we show that GaN nanowires on Si(111) are N-polar and we suggest a nucleation mecanism. Then, we highlight a strain assited inter-diffusion phenomenon in the GaN / AlN quantum dots annealed at high temperature. Finally, we observe the presence of short-range order in InGaN / GaN core-shell nanowires. This atomic organization could be induced by the presence of stress and we have begun a study of the anisotropic ordering to explore this hypothesis.