Propriétés des matériaux semi-conducteurs II-VI

Dans ce travail de mémoire de Magister, nous proposons d’étudier les propriétés électroniques des matériaux semi-conducteurs II-VI qui présente une large gamme spectrale qui s’étend entre 1.5 eV et 3.8 eV de la famille de Cadmium (CdS, CdSe, CdTe) et du Zinc (ZnS, ZnSe et ZnTe).

L’objectif est de procéder à une étude d’optimisation basé sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) en utilisant le code wien2k qui fonctionne sous système exploitation l’UNIX pour déterminer les propriétés électroniques (la densité d’état et la structure de bande). Cela ce fait pour chaque composé binaire et pour les trois phases Zinc-blende, Würtzite et Rocksalt en utilisant les deux approximations GGA et LDA.

Dans les matériaux II-VI, les directions <111> sont des axes polaires, les plans 111 sont formés d’atomes de la colonne II, alors que les plans 1 1 1 sont formés d’atomes de la colonne VI. Une autre singularité directement liée à l’absence de centre de symétrie est le fait que se sont des matériaux piézoélectriques par conséquent on peut générer des charges électriques de signes opposés sur les faces A et B, en appliquant une contrainte le long de l’axe polaire <111>. Ces résultats ressemblent aux résultats observés pour une structure hexagonale Würtzite. Les alliages ternaires à base de CdZnTe, CdZnS et CdZnSe présentent un effet extrêmement intéressant qui est l’effet ferroélectrique. Après une étude très détaillée faite au laboratoire LEMOP sur les matériaux II-VI à base de Cadmium, de Zinc et une panoplie d’hétérostructures, nous avons choisie l’hétérostructure CdZnTe/CdTe qui présente une série d’avantage c’est unehétérostructure de type I qui présente un bon confinement d’électron et des effets de polarisations piézoélectrique suivant la direction (111). En particulier cette structure est le siège d’un effet extrêmement important qui est l’effet ferroélectrique. Cette ferroélectricité induit des polarisations internes alternées de signe sur les différentes couches. Ce qui ce traduit par un effet Stark bidimensionnel sur le puits quantique de CdTe entraînant un red-shift de la transition excitonique.

Les matériaux semi-conducteurs II-VI suscitent un intérêt particulier à cause de leurs propriétés remarquables la plus intéressante est l’énergie de la bande interdite comprise entre le visible est l’ultraviolet. Les matériaux II-VI présentent la particularité d’être des matériaux à gap direct, dans la probabilité de transition bande à bande pour les porteurs est considérable, d’où l’intérêt dans le domaine d’application pour l’optronique..

Les semiconducteurs II-VI sont constitués par l’association d’un élément de la colonne II et un élément de la colonne VI, notre étude est basé sur les composés II-VI à base de Zinc (ZnS, ZnSe, ZnTe) et les composés à base de Cadmium (CdTe, CdS, CdSe), et ces alliages, qui fonctionne dans la gamme des longueurs d’onde visible jusqu’à l’ultraviolet. L’étude des matériaux II-VI à grand gap en particulier ZnSe ont été initiées dans le but de réaliser des dispositifs émettant dans le bleu et du proche ultraviolet pour le stockage de l’information et dans la gamme du spectre visible en vue d’application pour l’affichage [2]. D’autres études sont orientées vers le domaine des cellules solaires à haute rendement.

Propriétés des matériaux semiconducteurs II-VI :

Propriétés structurales :

Structure Zinc-blende :
La structure cubique se compose des deux réseaux cubiques faces centrées, formées respectivement des atomes de la colonne II et VI décalés l’un de l’autre du quart d’une diagonale égale 𝒂 √𝟑/𝟒 et le taux de remplissage de cette structure égale 0.34 .

Cette structure est décrite par un réseau cubique à face centrée et d’un empilement de type ABCABC dans la direction [111] et La base est formée de deux atome en (000) et (1/4, 1/4 ,1/4). La maille de bravais contiens 4 atomes du groupe II (Zn, Cd, Hg) dans les coordonnée (0, 0, 0); (0, 1/2, 1/2); (1/2, 0, 1/2) ;(1/2, 1/2, 0) et Quatre atomes de groupe VI (O, S ,Se , Te) dans les positions : (1/4,1/4,1/4); (1/4,3/4,3/4); (3/4,1/4,3/4); (3/4,3/4,1/4) et Chaque atome se trouve ainsi au centre d’un tétraèdre régulier dont les sommets sont occupés par un atome de l’autre espèce et Chaque atome de (Cd) est entouré de quatre atomes de (Te ,Se ,S).

Structure Würtzite (Hexagonal):
La structure hexagonale est constituée de deux réseaux hexagonaux décalés l’un par rapport à l’autre de 3/8 du paramètre C. La maille élémentaire est constituée deux atomes de groupe II occupant les sites (0, 0, 5/8) et (2/3, 1/3, 1/8) et deux atome de groupe VI occupant les sites (0, 0, 0) et (2/3,1/3,1/2). Par conséquent un atome du type II est entouré de quatre atomes du type VI disposés aux sommets d’un tétraèdre régulier. La structure Würtzite possède un empilement de type ABABAB dans la direction [0001].

Propriétés électroniques : 

Les semi-conducteurs II-VI a base de Cadmium et a base de Zinc sont caractérisés par une grande largeur de bande interdite, correspond a des longueurs d’onde situé dans le domaine du visible jusqu’à l’ultraviolet.

Ces matériaux semi-conducteurs possèdent un gap direct varie de 3.741 eV (ZnS [3]) à 1.525 eV (CdTe [7]).

Propriétés optiques:

Les propriétés optiques des semi-conducteurs dépendent de leur structure électronique car elles mettent en jeu des transitions entre différents états électroniques. Cette transition peut se faire sans changement de vecteur d’onde dans les semiconducteurs à gap direct, ce qui permet l’absorption et l’émission de lumière de façon beaucoup plus efficace que dans les matériaux à gap indirect.