Hétérostructures antimoniures/arséniures pour les applications optoélectroniques dans le moyen infrarouge

Antimonide/arsenide heterostructures for optoelectronic applications in the mid infrared

• Auteur / Autrice : Charles Renard
• Direction : Eric Tournié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indium

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Lasers à semi-conducteur

Semiconducteurs

Résumé

Les progrès réalisés au cours des trente dernières années dans les domaines de la croissance cristalline et de la technologie des semiconducteurs III-V ont permis aux composants optoélectroniques (lasers, détecteurs) fonctionnant dans la bande 0,4-1,8 μm d'être de nos jours des éléments essentiels pour les télécommunications, le stockage des données ou le domaine médical. Cependant, de nombreuses applications, comme la détection infrarouge, la spectroscopie moléculaire de polluants atmosphériques, nécessitent le développement de lasers et de détecteurs fonctionnant à plus grande longueur d'onde, notamment dans les fenêtres de transparence atmosphériques (3-5 μm et 8-12 μm). La réalisation de ces différents dispositifs est possible en utilisant les hétérostructures mixtes antimoniures/arséniures. Cependant, plusieurs difficultés sont associées à la croissance épitaxiale de ces hétérostructures (désaccords de maille entre les différents matériaux considérés, caracténsation des hétérostructures, incorporation compétitive des différents éléments V As et Sb. . . ). L'objet de cette thèse a consisté, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance -permettant la réalisation des lasers à cascade quantique basés sur le système de matériaux AlAsSb/GalnAs épitaxié sur substrat d'InP et de détecteurs photovoltaïques InAsSb épitaxiés sur substrat de GaSb. Pour ce faire, l'ensemble des paramètres intervenant dans l'incorporation concurrentielle des deux éléments V As et Sb (température vitesse, nature de l'élément III,. . ) a été étudié. Une procédure de détermination des épaisseurs individuelles et des compositions des hétérostructures GalnAs/AlAsSb, par diffraction de rayons X, basée sur l'utilisation d'un double superréseau a également été proposée. Ce travail a permis de mieux comprendre les phénomènes intervenant aux interfaces selon les conditions de croissance utilisées et d'obtenir ainsi un calibrage rigoureux et reproductible. Des résultats préliminaires satisfaisants ont finalement été obtenus sur les diodes électroluminescentes AlAsSb/GalnAs à cascade quantique sur InP ainsi que sur les détecteurs photovoltaïques InAsSb sur GaSb. La seconde partie de cette thèse a consisté en l'optimisation des conditions de croissance des hétérostructures (Al,Ga)Sb/InAs épitaxiées sur substrat d'InAs et de GaSb. Dans ce système de matériaux, l'existence d'une ségrégation d'indium aux interfaces AISb/InAs a pu être mise en évidence par différentes techniques de caractérisation (HRTEM, RHEED, HRXRD). La prise en compte de cette ségrégation a permis d'améliorer les performances des LCQs InAs/AlSb et d'atteindre le fonctionnement à température ambiante. Des résultats prometteurs ont également été obtenus pour des structures détectrices interbandes à cascade GaSb/AISb/InAs.

The progress made during the thirty last years in the field of crystalline growth and technology of III-V semiconductors allowed the optoelectronic components (laser, detector) functioning in the band 0,4-1,8 μm to be nowadays essential elements for telecommunications, data storage or medical field. However, many applications like infrared detection, molecular spectroscopy of atmospheric pollutants, require the development of lasers and detectors functioning with higher wavelength, in particular in the atmospheric transparency Windows (3-5 μm and 8 12 μm) The realization of these varions devices is possible by using the mixed antimomde/arsemde heterostructures. However, several difficulties are associated with the epitaxial growth of these heterostructures (lattice mismatch between materials, characterization of the heterostructures, competitive incorporation of the group V elements ) The aim of this thesis consisted firstly in determining the conditions of growth allowing the realization of quantum cascade lasers based on AlAsSb/GalnAs materials grown on InP substrate and photovoltaïc detectors InAsSb grown on GaSb substrate. With this intention, the whole parameters influencing the competing incorporation of the two group V elements (temperature, growth rate, nature of element III. . . ) was studied A procedure of determination of the individual thicknesses and compositions of the GalnAs/AlAsSb heterostructures, by X-ray diffraction, based on the use of a double superlattice was also proposed-TOs work made it possible to better understand the phenomena occurring at the interfaces with the growth conditions used and thus obtain a rigorous and reproducible calibration. Satisfactory preliminary results were finally obtained on the quantum cascade electroluminescent diodes AlAsSb/GalnAs on InP and on the photovoltaïc detectors InAsSb on GaSb The second part of this thesis consisted in the optimization of the growth conditions of (Ai,Ga)Sb/InAs heterostructures grown on InAs and GaSb substrate. In this material system, the existence of indium segregation at the AISb/InAs interfaces was highlighted by various techniques of characterization (HRTEM RHEED, HRXRD)_ The taking into account of this segregation made it possible to improve the performances of QCLs InAs/AlSb and reach operation at ambient temperature. Promising results were also obtained for GaSb/AISb/InAs. Interband cascade detecting structures.