Croissance de GaN sur silicium micro- et nano-structuré

Growth of GaN on micro- and nano- patterned silicon substrate

• Auteur / Autrice : Guillaume Gommé
• Direction : Yvon Cordier, Fabrice Semond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Berbezier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvon Cordier, Fabrice Semond, Isabelle Berbezier, Yvan-Christophe Robin, Matthew Charles, Robert Langer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Berbezier, Yvan-Christophe Robin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Contraintes (mécanique)

Silicium

Épitaxie

Mots clés libres

Épitaxie

III-N

Silicium

Texturation

Silicium poreux

Contraintes

Dislocations

DELs

Epitaxy

III-N

Silicon

Patterning

Masking

Porous

Stress

Dislocations

LEDs

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la croissance de nitrure d’éléments V sur des substrats de silicium (Si) (111) micro et nano-structuré. Son but est de simplifier l’hétéroépitaxie de GaN sur Si tout en gardant une qualité de matériau à l’état de l’art. L’originalité de ce travail repose sur la combinaison avantageuse de deux techniques de croissance : NH3-EJM et EPVOM. Nous avons d’abord évalué l’intérêt du silicium poreux (SiP) pour confiner les fissures et l’utiliser comme couche compliante. Malgré les changements structuraux s’opérant dans le SiP lorsqu’il est porté aux hautes températures nécessaires pour la croissance épitaxiale, nous avons pu démontrer la croissance de GaN de bonne qualité en ajoutant une couche de Si épitaxiée avant la croissance des nitrures d’éléments V. Puis, nous avons étudié la croissance de GaN dans des ouvertures réalisées dans un masque diélectrique déposé sur le substrat de Si. Cette approche a permis d’obtenir des motifs de GaN non fissurés et de bonne qualité cristalline en utilisant des conditions de croissance optimisées. L’analyse des contraintes sur les motifs de GaN indique une distribution en U où le maximum de la contrainte en tension est mesuré au centre des motifs ; cette contrainte se relaxe graduellement vers les bords libres des motifs. Enfin, une comparaison avec la croissance sur des mesas de Si gravé est proposée. Nous montrons que la croissance dans des ouvertures permet à la fois d’obtenir une couche de GaN uniformément épitaxiée sur les motifs ainsi que d’obtenir une plus faible courbure des substrats après croissance. Enfin, des LEDs ont pu être fabriquées à partir de GaN épitaxié sur substrat masqué.

This work deals with the growth of III-Nitrides on micro and nano-patterned silicon (111) substrates. The main goal is to simplify the heteroepitaxy of GaN on Si while keeping state of the art III-nitride materials. The originality of this work is to combine the advantages of both NH3-MBE and MOCVD growth techniques. We firstly evaluated the interest of porous silicon to confine cracks and to behave as a compliant substrate. Despite the issues regarding the structural changes of the porous silicon with the high temperatures necessary for the epitaxial growth of GaN, we demonstrated the growth of high quality GaN layers by growing a silicon layer of few tens of nanometers prior to III-nitride layers. Then, we studied the windowed growth of GaN on silicon substrates masked with dielectric films. We found that this approach can produce high quality crack free GaN (2µm thick) patterns with size up to 500x500 µm² with a dislocation density of few 108cm-2. Furthermore, crack statistics reveal that a large amount of crack free patterns can be obtained using optimized conditions. Stress analyses of GaN patterns demonstrate a “U-shape” stress distribution where the maximum tensile stress is found in the middle of the patterns and gradually decreases towards the pattern edges. Finally, a comparison with mesa patterned silicon substrates is proposed with identical grown structures. We found that windowed growth is more advantageous regarding growth uniformity and substrate bowing. As a result of this work, LEDs have been fabricated using GaN grown on masked substrates.