Thèse soutenue

Analyses structurales par diffusion des rayons X de couches epitaxiées de GaP sur silicium pour des applications en photonique intégrée

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Auteur / Autrice : Yanping Wang
Direction : Olivier Durand
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique - optoélectronique
Date : Soutenance le 17/06/2016
Etablissement(s) : Rennes, INSA
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
Partenaire(s) de recherche : ComUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
Laboratoire : Université Bretagne Loire
Jury : Président / Présidente : Gilles Patriarche
Examinateurs / Examinatrices : Olivier Durand, Gilles Patriarche, Chantal Fontaine, Olivier Thomas, Jean Decobert, Charles Renard, Antoine Letoublon
Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Fontaine, Olivier Thomas

Résumé

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Cette thèse porte sur le développement des méthodes d'analyse structurale de la couche mince de GaP epitaxiées sur le substrat de silicium par l'épitaxie par jets moléculaires (MBE), basées sur la diffraction des rayons X (ORX) et combinées à des techniques complémentaires telles que la microscopie électronique en transmission (TEM), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie à effet tunnel (STM). Le travail est centré sur la caractérisation quantitative de la densité des défauts cristallins comme les micro-macles et les domaines d'inversion présents dans la couche ainsi que l'évaluation de la qualité de surface et l'interface. L'objectif ultime est d'obtenir une plate-forme GaP/Si parfaitement cristallisée sans défaut, via l'optimisation des paramètres de croissance. Nous avons mis en place et utilisé deux méthodes de quantification des micro-macles par la diffraction des rayons X en condition de laboratoire : les figures de pôles pour la visualisation rapide et l'évaluation de la densité des micro-macles et les « rocking-curves » permettent une extraction précise de la faction volumique de domaine maclé. Les propriétés structurales de la plate-forme de GaP/Si ont été considérablement améliorées, après une procédure d'optimisation impliquant la température de croissance, une procédure de croissance alternée (MEE) et une séquence de croissance en deux étapes. Un échantillon quasiment sans micro-macles a été obtenu par le dépôt de 40 monocouches de GaP par MEE à 350 •c suivi d'une surcroissance de 40 nm de GaP par MBE continue, à 500 •c. La surface de l'échantillon est lisse avec une rugosité de 0.3 nm. L'évaluation des domaines d'inversion par la ORX a été effectuée sur les cartographies de l'espace réciproque centrées sur les réflexions GaP de type (OOL), en laboratoire et sur une ligne synchrotron. Les balayages « transverses » extrait à partir des cartographies de l'espace réciproque sont analysés via une méthode dite "Williamson-Hall like", afin d'obtenir la "mosaïcité" qui est reliée à la micro-désorientation des petits domaines cristallins et la longueur de corrélation latérale correspondant à ces petits domaines. La distance moyenne entre parois de domaines d'inversion et ensuite estimé à partir de cette mesure. En utilisant cette méthode d'analyse et les techniques microscopiques, une optimisation plus poussée a été effectuée sur la dose de Ga au stade initial de croissance, l'utilisation de couches de marqueur AIGaP et l'homoépitaxie d'une couche de silicium avant le GaP. Enfin, nous avons obtenu un échantillon ne présentant pas de signal de micro-macle détectable en conditions standard de laboratoire, et une très faible densité de domaine d'inversion. Nous avons aussi observé une interface de GaP/Si visiblement présentant des bi-marches atomiques très régulières, sur un échantillon avec une couche de silicium déposée avant la croissance du GaP.