Rozprawy doktorskie na temat „ZnGeP2”

Les nitrures d'éléments II-IV ZnSiN2, ZnGeN2 et ZnSnN2 forment une famille de semi-conducteurs liés aux nitrures d'éléments III (le GaN et ses alliages contenant de l'aluminium ou de l'indium). Ils s'obtiennent par construction en remplaçant l'élément III (Ga) périodiquement par un élément II (Zn) puis par un élément IV (Si, Ge ou Sn), ses voisins de gauche et de droite dans le tableau périodique. La structure cristalline qui en résulte est très proche de celle du GaN wurtzite. Le ZnGeN2 présente un désaccord de maille avec le GaN inférieur à 1%. Sa largeur de bande interdite est de quelques pour cents identique à celle du GaN et le large décalage de bande entre le GaN et le ZnGeN2 permet la formation d'une hétérostructure de type II. Ces données ont ouvert la voie à l'étude théorique de l'intégration des matériaux II-IV-N2 dans les zones actives de LEDs GaN. Ces puits quantiques de type II pourraient contribuer à améliorer les propriétés d'émission à grandes longueurs d'onde (verte et au-delà) des émetteurs à base de GaN. L'alliage ZnSn{x}Ge{1-x}N2 (de x = 0 à x = 1) étant peu connu, l'objectif de la thèse est de réaliser une étude expérimentale du matériau sous forme de couches minces élaborées par pulvérisation cathodique magnétron réactive. Ses propriétés structurales, optiques et électriques sont étudiées au moyen de différentes méthodes d'analyse. Il paraît ainsi possible de moduler son paramètre de maille a (de 3.22 A à 3.41 A) ainsi que la largeur de la bande interdite (de 2.1 eV pour le ZnSnN2 à 3.0 eV pour le ZnGeN2) mais également ses propriétés électriques sur plusieurs ordres de grandeur. L'utilisation de substrats de GaN permet, en outre, une analyse de l'interface entre les deux matériaux et l'étude des effets de quasi-épitaxie
The II-IV-nitrides ZnSiN2, ZnGeN2 and ZnSnN2 represent a semiconductors family close to the III-nitrides (GaN and its aluminum and indium containing alloys). They are obtained by replacing periodically the group III element (Ga) by a group II element (Zn) and by a group IV element (Si, Ge or Sn), its left and right neighbors in the periodic table. The crystalline structure of ZnGeN2 is therefore really close to the one of wurtzite GaN. They show a lattice mismatch smaller than 1 %. The band gap of ZnGeN2 is almost identical to GaN and their large band offset enables the design of a type II heterostructure. These data set the stage for the theoretical study of II-IV-N2 integration into the active zones of GaN LEDs. These type II quantum wells could contribute to enhance the emission properties of GaN-based light emitters at high wavelengths (green and beyond). The ZnSn{x}Ge{1-x}N2 alloy (with x = 0 to x = 1) being rather unknown, the objective of this thesis is the experimental study of sputtered thin films of this material. Its structural, optical and electrical properties are investigated through different analysis methods. It seems possible to adjust its lattice parameter a (from 3.22 A to 3.41 A) as well as its band gap (from 2.1 eV for ZnSnN2 to 3.0 eV for ZnGeN2) but also its electrical properties on several orders of magnitude. The use of GaN substrates enables the investigation of the interface between both materials and quasi-epitaxy effects

Le développement de LED à base de nitrures représente un enjeu important tant sur le plan scientifique qu’industriel et sociétal. De par leur large bande interdite, les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures d’éléments III (composés III-N) tels que le GaN et ses alliages sont de très bons candidats pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques nouveaux. Néanmoins, ces systèmes présentent bon nombre de limitations, principalement dues à l’évolution des propriétés de l’InGaN lorsque la concentration d’indium augmente. Les effets de contrainte et de polarisation affectent la qualité du matériau et donc l’émission spontanée de la LED en général. De plus, dans un contexte de raréfaction des ressources naturelles, l’utilisation de l’indium, matériau rare et cher, doit se faire de manière raisonnée. Or les systèmes actuels (micro-écran, dispositifs portatifs, ...) requièrent des LED toujours plus puissantes et riches en Indium. Le but est aujourd’hui d’obtenir des LED haute performance, avec un bon rendu de couleurs et surtout à moindre coût en utilisant des matériaux alternatifs. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce sujet de thèse qui consiste en l’étude théorique du matériau ZnGeN2 et de son introduction au sein d’une structure LED. L’idée est ici de créer un puits quantique de type II InGaN-ZnGeN2 afin d’augmenter l’efficacité des zones d’actives et ainsi de réaliser des LED pouvant opérer sur une large gamme de longueurs d’ondes allant de l’IR à l’UV. Cette approche permet de diminuer la quantité d’indium dans les LED et ainsi de créer des structures moins onéreuses avec un matériau de meilleure qualité. Le ZnGeN2 dérive des nitrures d’éléments III en remplaçant le groupe III alternativement par un élément du groupe II (Zn) et du groupe IV (Ge). Les énergies de gap et le paramètre de maille de ZnGeN2 sont très proches de ceux du GaN. De plus, les organisations cristallographiques sont similaires et le large décalage de bande entre InGaN et ZnGeN2 autorise la formation d’une hétérostructure du type II InGaN/ZnGeN2. L’insertion d’une couche de ZnGeN2 dans une structure classique de puits quantique GaN/InGaN aboutit à des modifications significatives : le fort confinement des trous dans la couche de ZnGeN2 autorise l’utilisation d’une quantité moindre d’indium dans le puits. Dans le puits quantique de type II InGaN/ZnGeN2 une fine couche d’AlGaN est utilisée comme barrière pour un meilleur confinement. L’ensemble permet d’obtenir un meilleur recouvrement des fonctions d’ondes électron-trou comparé à celui obtenu dans le cas d’une LED classique. Au cours de la thèse nous présenterons les résultats des simulations des différentes structures LED avec puits quantique de type-II. Nous étudierons des structures LED pour des émissions dans le vert et le rouge. Différentes géométries de LED seront développées en faisant varier la position et l’épaisseur de la couche de ZnGeN2. Nous utiliserons ici le logiciel de simulation SILVACO/ATLAS avec le modèle k.p à six bandes pour le calcul de la structure de bandes, qui prend en compte les effets de tension, l’enchevêtrement des bandes de valence ainsi que les polarisations spontanées et piézoélectriques
Nitride LEDs development presents significant scientific and societal issues. The aim is to get low-cost, high efficiency LEDs with accurate color-rending (typically the Color Rending Index has to be higher than 90). Due to their large band gap (from 0.8 to 6.2 eV), III-N materials, as GaN and alloys, are still used for LEDs development. Nevertheless, they present several huge limitations mainly due to the evolution of InGaN properties for higher Indium concentrations. Strain and polarization effects affect then the LED quality through the reduction of the spontaneous emission. New high-performance devices require the development of new materials and the introduction of ZnGeN2 layers could be an alternative solution. We report here on a new green and red-emitting light emitting device (LED) architecture containing only 16% of indium. The structure is based on the use of a new type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. Type II InGaN-ZnGeN2 quantum wells (QWs) were proposed for the improvement of efficiency in active regions and realizing then devices operating in a large wavelength range from UV to IR. The zinc germanium nitride (ZnGeN2) is a new promising semiconductor for optoelectronic devices such as LED or photovoltaic cells due to its large, direct, and adjustable band gap, most particularly considered to overcome the green-gap issue in LED technology. ZnGeN2 derives from the III-nitride elements by replacing the III-group alternatively by a group II (Zn) and a group IV (Ge). Both the energy band gap and the lattice parameters of ZnGeN2 are very close to those of GaN. The crystallographic organizations are similar and the recently predicted large band offset between GaN and ZnGeN2 allows the formation of a type-II InGaN-ZnGeN2 heterostructure. Studies of ZnGeN2 based quantum well behaviors are scarce and no information on the overall electro-optical operation of such LED is available. We simulate here with SILVACO/ATLAS the complete behavior of a green and red LED structures in which the active region is a type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. A thin AlGaN layer is used as a barrier for a better carrier confinement. The position and the thickness of the ZnGeN2 layer are parameters used to examine the luminous and electrical behavior as well as the external quantum efficiency of this LED compared to a standard InGaN-based LED emitting at the same wavelength. Inserting a ZnGeN2 layer in a conventional type-I InGaN QW structure yields significant modifications. The strong confinement of holes in the ZnGeN2 layer allows the use of a lower In-content InGaN QW with uniform In content. We demonstrate a significant enhancement of the spontaneous emission and the possibility to reach both a better quantum efficiency and light output when using the type-II structure. The self-consistent 6-band k.p method is used to perform the band structure calculations, which consider the effect of strain, the valence band mixing, and the spontaneous and piezoelectric polarizations

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 1999.
Title from document title page. Document formatted into pages; contains xv, 200 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 194-200).

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 1999.
Title from document title page. Document formatted into pages; contains ix, 165 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 118-122).

Zinc gallate and Mn2+ -activated zinc gallate were identified as potential low-voltage cathodoluminescent phosphors for use in vacuum fluorescent displays. The stability of these oxide phosphors in high-vacuum and absence of corrosive gas emission under electron bombardment, offer advantages over commonly used sulfide phosphors. A low-voltage cathodoluminescence spectrophotometer was _ developed for phosphor characterization. Sample brightness was measured as a function of anode voltage (10-300 VDC). The effects of activator concentration, phosphor layer thickness, deposition process, and internal pressure were examined. From photoluminescence measurements, absorption and emission centers were identified, the role of composition in the luminescence process explained, and host-to-activator, non-radiative energy transfer identified for ZnGa204:Mn2+. Samples of the general composition Znl_xMnxGa204, with x ranging from 0 to 0.03, were synthesized by solid-state reaction techniques using oxide precursors fired in air, followed by reduction firing in 98%N2, 2%H2. The phase-pure ZnGa204 spinel structure of all the compositions was characterized by X-ray diffraction.
Master of Science

Mesure des facteurs de structure. Determination des parametres d'agitation thermique dont les valeurs presentent une bonne coherence d'un compose a l'autre. Description de la densite de valence a l'aide d'un modele de charges de liaison gaussiennes. Les calculs theoriques de structure de bandes conduisent a une densite de valence theorique assez voisine de la densite experimentale

abstract: This thesis focuses on the theoretical work done to determine thermodynamic properties of a chalcopyrite thin-film material for use as a photovoltaic material in a tandem device. The material of main focus here is ZnGeAs2, which was chosen for the relative abundance of constituents, favorable photovoltaic properties, and good lattice matching with ZnSnP2, the other component in this tandem device. This work is divided into two main chapters, which will cover: calculations and method to determine the formation energy and abundance of native point defects, and a model to calculate the vapor pressure over a ternary material from first-principles. The purpose of this work is to guide experimental work being done in tandem to synthesize ZnGeAs2 in thin-film form with high enough quality such that it can be used as a photovoltaic. Since properties of photovoltaic depend greatly on defect concentrations and film quality, a theoretical understanding of how laboratory conditions affect these properties is very valuable. The work done here is from first-principles and utilizes density functional theory using the local density approximation. Results from the native point defect study show that the zinc vacancy (VZn) and the germanium antisite (GeZn) are the more prominent defects; which most likely produce non-stoichiometric films. The vapor pressure model for a ternary system is validated using known vapor pressure for monatomic and binary test systems. With a valid ternary system vapor pressure model, results show there is a kinetic barrier to decomposition for ZnGeAs2.
Dissertation/Thesis
M.S. Materials Science and Engineering 2011