Growth and optical characterization of Sb-based materials on InP for optical telecommunication

par Yu Zhao

Thèse de doctorat en Physique-Optoélectronique

Sous la direction de Eric Tournié.

Le président du jury était Régis André.

Le jury était composé de Eric Tournié, Régis André, Régis André, Paul Koenraad, Anne Ponchet, Hervé Folliot, Matthieu Perrin.

Les rapporteurs étaient Eric Tournié.

  • Titre traduit

    Croissance et caractérisation optique des matériaux à base d'antimoine sur substrat InP pour les télécommunications optiques


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur la croissance et sur la caractérisation optique de nanostructures à base d’antimoine sur substrats InP, en vue d’applications dans le domaine des télécommunications optiques. La transition inter-sous-bande est un processus ultrarapide qui permet la modulation de la lumière dans les réseaux de télécommunication optique. Durant cette thèse, une absorption inter-sous-bande dans le proche-infrarouge provenant de puits quantiques Ga0.47In0.53As/AlAs0.56Sb0.44 a été observée pour la première fois au laboratoire. Les analyses par microscopie électronique à effet tunnel sur la face clivée montrent cependant de nombreux déviations à l’idéalité de nos structures : mélange à l’échelle atomique aux interfaces entre GaInAs et AlAsSb, inhomogénéité de l’alliage GaInAs, incorporation non-intentionnel d’antimoine dans le GaInAs. Les puits quantiques InAs/AlAs0.56Sb0.44 sont potentiellement des objets de choix pour la réalisation de composants intersous- bande travaillant à 1,55 μm. Des puits quantiques InAs/AlAs0.56Sb0.44 contraint, exempt de défauts ont été obtenus par croissance assistée par effet surfactant de Sb. En symétrisant la contrainte induite par le dépôt d’InAs par l’insertion de couches nanométriques de AlAs dans les barrières, des multi-puits InAs/AlAs0.56Sb0.44 sans contrainte macroscopique ont été réalisés. L’effet de l’antimoine en surface sur la croissance de structure InAs/GaAs0.51Sb0.49 a également été étudié. En présence d’antimoine sur substrats InP d’orientation (001), le dépôt d’InAs conduit à la formation de puits quantiques. Par contre sur ceux orientés suivant (113)B des boites quantiques sont formées suivant le mode de croissance Volmer-Weber. Ces résultats sont discutés en termes d’effets cinétiques ou énergétiques de l’antimoine en surface. La modification de l’anisotropie de l’énergie de surface induite par l’antimoine permet d’interpréter nos résultats sur substrats (100) et (113) B.


  • Résumé

    This PhD work presents molecular beam epitaxy growth and optical studies on several Sb-nanostructures on InP substrate, for their potential use in optical telecommunication. Inter-subband transition in Ga0.47In0.53As/AlAs0.56Sb0.44 quantum well is a useful physical process for implementing ultrafast fulloptical modulations. Near-infrared inter-subband transition in this material was achieved and microscopic studies on this structure has revealed that the intermixing at GaInAs/AlAsSb interface, unintentional Sb incorporation in GaInAs layer and the inhomogeneity within GaInAs layer could prevent Ga0.47In0.53As/ AlAs0.56Sb0.44 multiple quantum wells from achieving intersubband transition in 1.55 μm optical telecommunication band. The strained InAs/AlAs0.56Sb0.44 quantum well is another material that has potential use in 1.55 μm full-optical modulation. 2 nm-thick defect-free InAs/AlAs0.56Sb0.44 was obtained under Sb surfactant-mediated growth, and by using strain compensation techniques, InAs/AlAs0.56Sb0.44 multiple quantum wells with zero net-strain were realized. The study of Sb-mediated growth is also carried on to InAs/GaAs0.51Sb0.49 nanostructures. The growths of such structures on InP (001) substrate has led to the formation of flat InAs layer, while high-density InAs/GaAs0.51Sb0.49 quantum dots were obtained on InP (113)B substrates under Volmer-Weber growth mode. We attribute such phenomena to the surfaceorientation dependent surfactant effect of Sb. Emission wavelength close to 2 μm was achieved with only 5 ML of InAs deposition, which makes these quantum dots attractive to InPbased mid-wave applications.


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