Epitaxie hétérogene de GaP sur substrat Si (001) et nanostructures pour application photonique

Heterogeous MBE growth of GaP on silicon substrate and nanostructure for photonics applicationEpitaxie

• Auteur / Autrice : Weiming Guo
• Direction : Le Corre, Alain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire FOTON

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Nanostructures

Rayons X -- Diffusion

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Épitaxie

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de la croissance hétérogène de couches de GaP sur substrat Si et de nanostructures (Boite quantiques, puits quantiques) sur GaP. Les croissances sont réalisées en épitaxie par jets moléculaires. Le but ultime concerne la réalisation de sources optiques sur substrat silicium pour les interconnexions optiques à très haut débit intra et inter-puces pour le développement de circuits OEIC (optical-electronic integrated circuit). Dans un premier temps cette étude porte sur l’amélioration de la croissance de 20nm de GaP sur silicium. L’influence de la préparation de surface du silicium et des paramètres de croissance est étudiée (température, rapport des flux V/III…). Une amélioration de la qualité cristalline et de la rugosité est obtenue avec une technique de croissance alternée (MEE) à basse température. Une méthode originale basée sur la diffraction des Rayons X (DRX), permet ensuite une analyse approfondie de la qualité cristalline des couches de GaP. La cohérence des couches de GaP sur substrat désorienté de silicium est vérifiée par cartographie RX de l’espace réciproque. L’analyse comparée des contributions à l’largissement des raies faibles de diffraction (002) et (006) et de la raie forte (004) permet d’identifier la présence de domaines d’antiphase (APD) et d’estimer leur dimension latérale. Un recuit à 600°C après la croissance MEE conduit à une dégradation de la qualité cristalline probablement liée à une augmentation de la proportion d’atomes en antiphase. Pour expliquer ce phénomène, un modèle basé sur la redistribution des atomes autour des parois d’antiphase pendant le recuit est proposé. Dans une troisième partie, la croissance et les propriétés optiques de nanostructures émettrices sur substrat GaP sont présentées. Cette étude comprend la croissance de puits quantiques (PQs) GaAs(P)(N) /GaP et de boites quantiques (BQs) InAs, InP et GaAs sur GaP. Après optimisation de la croissance, l’absence de photoluminescence (PL) des BQs InAs est expliquée par la relaxation plastique. Les BQs InP donnent une émission de PL uniquement jusqu’à 180K. Les BQs GaAs et les PQs GaAsP/GaP présentent une émission de PL à température ambiante à 1,8eV. Une faible incorporation d’azote dans PQ GaAsP(N)/GaPN entraîne l’émission de PL à température ambiante et le décalage vers les grandes longueurs d’onde. L’intégration de PQ GaAsPN/GaPN sur substrat Si donne l’émission PL jusqu’à 200K, démontrant leur intérêt pour la réalisation des sources optiques sur silicium.

This thesis deals with the heterogeneous MBE growth of GaP thin layer on Si substrate to be used as a buffer layer, and the growth of optically active emission centre on GaP substrate. The ultimate goal is to realise an optical source on Si substrate, which can be used for optical interconnections in Opto-Electronic Integrated Circuit (OEIC). The first part deals with the growth optimisation of 20nm GaP buffer layer on Si. The influence of the Si surface preparation and the growth parameters (temperature, V/III flux ratio, antimony prelayer…) is studied. We demonstrate that Migration Enhanced Epitaxy (MEE) at low temperature allows a significant reduction of the surface roughness and a crystalline quality improvement. In the second part, we report the growth and structural study of 20 nm GaP/Si epilayers, using a fast, robust and non destructive analysis. This analysis, including atomic force microscopy and advanced X-ray diffraction, is applied to samples grown by different MBE growth modes. Roughness, lateral coherent length of epilayer, ratio of Anti-Phase Domains (APD) and their relation are discussed. The MEE growth at low temperature is found to guarantee a inetics-limited growth process which allows the annihilation of Anti-Phase Boundary (APB) within thin growth thickness. The annealing after MEE growth at 600°C is accompanied by an obvious increase of surface roughness and APD density. An APB-related atom redistribution model is proposed to explain this phenomenon. The third part focuses on the growth of active emission centre on GaP. The studied systems include: InAs, InP, GaAs Quantum Dot (QD), GaAsP, and GaAsPN Quantum Well (QW). For InAs/GaP system, the lack of photoluminescence (PL) at low temperature is attributed to plastic relaxation. The InP QD gives PL until 180K. Room temperature (RT) PL at 1. 8eV is observed for GaAs QD and GaAsP QW. Preliminary results on the growth of GaPAs(N)/GaPN quantum wells demonstrates Room Temperature PL and wavelength shift with small amount of nitrogen incorporated. RT electronluminescence of GaAsPN/GaPN/GaP diode and PL of GaAsPN/GaPN/GaP/Si structure until 200K suggests that such material system is promising for the realization of monolithically integrated photonic devices on Si.