Croissance de GaN semipolaire par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques sur substrats de Si structurés

Metal organic vapor phase epitaxy of semipolar GaN on patterned silicon substrates

• Auteur / Autrice : Michel El Khoury Maroun
• Direction : Philippe Vennéguès, Jésus Zúñiga-Pérez, Guy Feuillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/02/2016
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....) - Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications - CEA - LETI
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Berbezier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Vennéguès, Jésus Zúñiga-Pérez, Guy Feuillet, Isabelle Berbezier, Isabelle Sagnes, Ferdinand Scholz, Matthew Charles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Sagnes, Ferdinand Scholz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Silicium

Nitrure de gallium

Mots clés libres

GaN

Silicium

Semipolaire

Croissance sélective

GaN

Silicon

Semipolar

Selective area growth

Résumé

Jusqu'à présent, les dispositifs optoélectroniques commerciaux sont épitaxiés selon la direction c, qui souffre de deux limitations intrinsèques. D'une part, les fortes discontinuités de polarisation le long de l'hétéro-interfaces des nitrures qui sont responsables de l'effet Stark de confinement quantique. Ceci mène dans le cas des dispositifs optiques GaN à une séparation de la fonction d'onde électron-trou dans les puits quantiques. D'une autre part, l'incorporation d'indium sur les plans polaires (0001) se trouve être relativement limité par comparaison avec les autres orientations cristallographiques. Ces effets néfastes peuvent être partiellement dépasser en performant la croissance du GaN sur des plans cristallographiques autre que le plan (0001). Ces plans semi polaires conduit éventuellement à l'amélioration des performances du dispositif. En fait, comme la seule solution disponible pour l'instant pour la croissance du GaN semipolaire est l'homoépitaxie, les dispositifs à base de GaN semipolaire de haute qualité a ses inconvénients qui est la petite taille et le prix élevé des substrats. Cela justifie la croissance du GaN semi-polaire sur d'autre type de substrats spécialement le silicium. Dans cette étude, la croissance de couches de GaN semi-polaire (10-11) et (20-21) par MOVPE sur des substrats de silicium structurés sera évaluée. La stratégie générale de fabrication consiste a structuré l'orientation adaptée du substrat silicium de façon à révéler les facettes Si(111).

To-date, commercial III-nitride optoelectronic devices are grown along the c-direction, which suffers two intrinsic limitations. The first is the strong polarization discontinuities across nitride hetero-interfaces that are responsible for the quantum confined Stark effect, leading in the case of GaN-based optical devices to electron-hole wave function separation within the quantum wells, and thus, a decrease in the oscillator strength. The associated longer exciton lifetime together with the occurrence of non-radiative defects, result in reducing the device's efficiency. The second is the indium incorporation on the polar plane, which is relatively limited when compared with its incorporation on other crystallographic orientations. These deleterious effects can be partially overcome by performing the growth of GaN on planes other than (0001), such as semipolar ones leading to the eventual improvement of devices' performances. Growth of device-quality semipolar GaN, however, comes at a price, and the only currently available option is homoepitaxy, which is limited in size and is highly priced. At this point, the growth on foreign substrates becomes appealing, especially on silicon. In this thesis, the MOVPE growth of (10-11) and (20-21) semipolar GaN on patterned silicon substrates has been performed. The general fabrication strategy, which consists of patterning the appropriate silicon wafer orientation in order to reveal the Si (111) facets, will be first described. Subsequently, the selective growth of GaN along the c-direction will be carried out, where the c-oriented crystals will be brought to coalescence until a semipolar layer is achieved.