Fabrication et étude de nanocavités photoniques de nitrure d'élément III contenant des boîtes quantiques GaN pour la réalisation d'émetteurs UV intégrés sur silicium

Fabrication and study of nitride-based photonic nanocavities GaN quantum dots for UV emitters integrated on silicon

• Auteur / Autrice : Sylvain Sergent
• Direction : Fabrice Semond, Jean-Yves Duboz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Microcavités

Théorie quantique

Nitrures

Résumé

Ce travail de thèse est focalisé sur l’insertion de boîtes quantiques (BQs) GaN dans des nanocavités optiques à base d’(Al,Ga)N dans le but de réaliser des dispositifs photoniques émettant dans l’UV proche à température ambiante. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation de substrats de silicium permettant de contourner le caractère inerte des nitrures d’éléments III et de faciliter la réalisation de nanocavités auto-supportées. L’inconvénient majeur de cette approche provient du fait que la zone active doit être dépose��e au voisinage de l’interface avec le substrat de silicium (typiquement 50 nm au-dessus de l’hétéro-interface) afin de réaliser un dispositif photonique monomode. Nous étudions la croissance d’empilements de BQs GaN / (Al,Ga)N d’épaisseur réduite (100-120 nm) déposée sur des substrats de silicium en utilisant l’épitaxir=e par jets moléculaires à base d’ammoniac. Nous démontrons la possibilité d’obtenir un large éventail de densités de BQs allant de 10 [puissance] 8 cm-² à 10¹¹ cm-². Malgré la proximité de l’interface avec le substrat, nous mettons en évidence la qualité des propriétés optiques de ces BQs et tout particulièrement la faible dépendance en température de leur photoluminescence. Nous optimisons ensuite les processus de fabrication des nanocavités auto-supportées : des microdisques sont obtenus par une approche classique « top-down » tandis que des cristaux photoniques bidimensionnels (CPs 2D) sont réalisés en utilisant une épitaxie conforme sur substrats de silicium nanopatternés. Après l’insertion de BQs GaN, la caractérisation optique de telles structures révèle la présence de modes résonants dans l’UV proche avec des facteurs de qualité de l’ordre de 350 dans les CPs 2D et de 6600 dans les microdisques. En utilisant de tels résonateurs optiques, il devrait être possible de mettre en évidence l’effet Purcell à courte longueur d’onde, voire même un effet laser à température ambiante.

This work deals with the insertion of GaN quantum dots (QDs) in (Al,Ga)N-based optical nanocavities for the realization of novel photonic devices operating in the near UV range (300-400 nm) at room temperature (RT). The originality of this work is the use of silicon substrates to circumvent the inertness of group-III nitride materials and facilitate the realization of free-standing nanocavities. The main drawback of this approach is that optically active hétérostructures have to be grown close to the silicon substrate, typically 50 nm above the hetero-interface, in order to fabricate single mode operation devices. We first study the growth of GaN / (Al,Ga) N QD stacks in thin épitaxié. We demonstrate the possibility to obtain a wide range of QD densities from 10 [puissance]8 cm -² to a few 10¹¹ cm -². Despite the vicinity of the silicon substrate interface, we evidence the good quality of optical properties and especially the limited photoluminescence temperature-dependence of such QD stacks. We the optimize the fabrication processes of free-standing nanocavities : microdisk resonators are obtained through a classical top-down approach whereas two-dimensional photonic crystal (2D PC) cavities and up to 6600 in microdisk resonators. Using such optical resonators, work is ongoing to demonstrate both RT lasing and Purcell effect at short wavelength.