Sillicon photonics based on monolithic integration of III-V nanostructures on silicon

par Thanh Tra Nguyen

Thèse de doctorat en Physique optoélectronique

Sous la direction de Olivier Durand.

Soutenue le 17-09-2013

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec FOTON-OHM UMR CNRS 6082 (Fonctions Optiques pour les TélécommunicatiONs) EQUIPE OHM : (Optoélectronique, Hétéroépitaxie et Matériaux) (laboratoire) , Université européenne de Bretagne et de Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Bertru.

Le jury était composé de Guillaume Saint-Girons, Alexandre Boulle, Charles Cornet.

Les rapporteurs étaient Daniel Bouchier, Chantal Fontaine.

  • Titre traduit

    Photonique sur silicium à base de nanostructures III-V épitaxiées sur silicium


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l’optimisation de la croissance hétérogène de nanostructures III-V sur substrat de Si(001) désorienté selon [110]. Le but principal concerne la réalisation de sources optiques efficaces sur substrat de Si pour les interconnexions optiques à très haut débit inter et intra puces, dans le cadre du développement de circuits optoélectroniques intégrés (OEIC –optoelectronic integrated circuit). Dans un premier temps, cette étude porte sur l’optimisation de l’incorporation d’azote dans GaPN sur substrat de GaP (001), de façon à obtenir l’accord de paramètre de maille avec le Si. Cette étude est intéressante pour la croissance des composés III-V à azote dilué, tels que GaAsPN, qui sont très attractifs pour des applications lasers à grande longueur d’onde et des applications photovoltaïques à haut rendement, sur substrats de Si. Nous avons ensuite étudié la croissance d’une couche active à base de boîtes quantiques (In,Ga)As sur substrat de GaP(001). Ces boîtes présentent une haute densité et une bonne uniformité en taille. La photoluminescence à température ambiante est également obtenue sur ces boîtes quantiques, ce qui est très encourageant pour la réalisation de sources optoélectroniques intégrées sur substrat de silicium. Dans latroisième partie, nous avons étudié la croissance homoépitaxiale de Si par UHV/CVD nécessaire pour enterrerdes contaminants résiduels à la surface, et obtenir une surface propice à l’hétéroépitaxie de GaP de qualité structuraleoptimale. L’étude de croissance inclue la formation de doubles marches atomiques, favorisée par la désorientation du substrat, permettant de limiter l’apparition de défauts structuraux. Finalement, l’interface GaP/Si est optimisée, tout en obtenant une surface de GaP plane et une densité de défauts minimale. Une méthodologie pour quantifier les défauts structuraux (domaines d’antiphase, micro-macles) par diffraction des rayons X au Synchrotron et en laboratoire est présentée. Cette étude révèle une anisotropie d’orientation des micro-macles, liée à la direction de désorientation du substrat de Si, et une forte réduction de la densité de macles à haute température de croissance. La croissance de GaP sur substrat de Si, en couche mince d’épaisseur inférieure à l’épaisseur critique est obtenue spécifiquement avec un cluster de croissance composé d’un bâti Si UHV/CVD connecté sous ultra-vide avec un bâti III-V MBE. Les résultats montrent une réduction importante des défauts structuraux ce qui permet d’obtenir un pseudo-substrat GaP/Si présentant une surface plane, appropriée pour la croissance ultérieure de sources optiques efficaces. Les résultats obtenus permettent d’envisager la réalisation de sources lasers à base de composés III-V sur substrat de silicium.


  • Résumé

    This thesis focuses on the heterogeneous growth optimization of III-V nanostructures on Si (001) substrate displaying a miscut toward [110]. The main purpose concerns the integration of efficient light sources on Si substrate for high-speed optical interconnects inter-and intra-chip, as a cornerstone for the development of optoelectronic integrated circuits (OEIC).First, this study focuses on the optimisation of nitrogen incorporation in GaPN on GaP(001) substrate, while reachingthe lattice-matching condition with Si. This study is also interesting for the growth of any GaPN-based dilute nitridecompounds, such as GaAsPN, which are very attractive for long wavelength laser applications and high-efficiency photovoltaic applications on Si substrates. In a second step, we studied the growth of an active layer based on (In,Ga)As quantum dots (QD) on GaP (001) substrate. These QD display a high density and good uniformity in size. Room temperature photoluminescence is also obtained on these QD, which is very promising for the fabrication of integrated optoelectronic sources on a silicon substrate. In the third part, this study focuses on the homoepitaxial growth of Si by UHV/CVD necessary to bury residual contaminants initially present on the Si surface, and to obtain a Si surface suitable for the subsequent heteroepitaxial growth of optimal structural quality GaP layer. This includes the formation of double atomic steps, by step bunching and favors by the substrate miscut, in order to limit the structural defects. Finally, the GaP/Si interface is optimized, while obtaining a flat GaP surface and a minimum defects density. A methodology to quantify the structural defects (anti-phase domains, micro-twins) by X-ray diffraction using Synchrotron and laboratory sources is presented. This study reveals an anisotropic behavior of the micro-twins, linked to the miscut direction of the Si substrate, and a dramatic reduction of the micro-twins density at high growth temperature. The growth of thin GaP layers on Si substrates, with thickness less than the critical one and obtained with a purposely dedicated growth cluster composed of a Si UHV/CVD chamber connected under UHV with a III-V MBE chamber, shows a significant reduction of the structural defects and provides a GaP/Si pseudo-substrate with a flat surface suitable for subsequent growth of efficient light sources.


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