Étude physique des défauts induits par les procédés de fabrication de lasers à émission par la surface (VCSEL) à confinement par diaphragme d'oxyde

Investigation of processing-induced defects in GaAs based vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) with aluminum-oxide confinement layers

• Auteur / Autrice : Merwan Mokhtari
• Direction : Jean-Pierre Landesman, François Laruelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Photoluminescence

Semiconducteurs

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Mots clés libres

VCSEL

Semi-Conducteurs III-V

Oxydation latérale

Photoluminescence

Polarisation

Contrainte mécanique

VCSEL

III-V semi-Conductors

Lateral oxidation

Photoluminescence

Polarization

Mechanical stress

Résumé

Les VCSELs sont aujourd'hui des composants incontournables pour les applications datacom. Les travaux présentés ont comme objectif principal l'étude des déformations mécaniques induites par les étapes initiant le procédé de fabrication de VCSELs GaAs à confinement par diaphragme d'oxyde émettant à 850 nm. L'utilisation de techniques non-destructives telles que la mesure du degré de polarisation de la photo-luminescence (DOP) et la micro-photoluminescence nous a permis d'obtenir une vision précise, à la fois spatiale et quantitative de ces déformations. Les effets induits dans les structures VCSELs après le dépôt de diélectrique comme couche de masquage pour la gravure, la gravure plasma de la mesa P, mais aussi l'oxydation thermique par voie humide des couches de confinement ont ainsi été caractérisés. Des valeurs de contraintes de plusieurs dizaines de MPa ont été mesurées au sein d'une structure VCSEL qui a subi les étapes de procédé jusqu'à l'oxydation. Nous avons pu démontrer expérimentalement qu'il est possible de réduire jusqu'à 25 % les contraintes mécaniques engendrées par le procédé d'oxydation en effectuant un recuit post-oxydation. Une étude par STEM-EELS de la morphologie et de la composition atomique des oxydes à une échelle locale nous a permis d'affiner l'interprétation physique de l'effet de ce recuit. En se basant sur les résultats expérimentaux de DOP, nous avons réalisé un travail de modélisation analytique et numérique afin de prédire les déformations mécaniques induites par les étapes de procédés citées précédemment. Enfin, nous avons exposé les premiers résultats de caractérisations électriques et optiques de tels VCSELs montrant que les composants étudiés entrent dans les spécifications internes avec un procédé de fabrication globalement uniforme.

Nowadays, VCSELs are key components for datacom applications. The work presented is focused on the study of the mechanical deformations induced by the steps initiating the manufacturing process of GaAs based VCSELs operating at 850 nm and including aluminum-oxide as confinement layers. The use of non-destructive techniques such as the measurement of the degree of polarization of photoluminescence (DOP) and micro-photoluminescence allowed us to obtain a precise vision both spatially and quantitatively of these mechanical deformations. The effects induced in VCSEL structures after dielectric deposition used as a hard mask for etching, plasma etching of the P-mesa and wet thermal oxidation of the confinement layers have thus been characterized. Stress values of several tens of MPa were measured in a VCSEL structure conducted through the various process steps up to oxidation. We have experimentally demonstrated that it is possible to reduce the mechanical stress generated by the oxidation process by up to 25% by performing a post-oxidation annealing. A study by STEM-EELS of the oxide morphology and its atomic composition at a local scale has helped us to refine the physical interpretation of the effect related to this annealing. Based on the experimental DOP results, analytical and numerical modeling approaches were also carried out to predict the mechanical deformations induced by the different process steps mentioned above. Finally, we presented the first electrical and optical characterizations performed on such VCSELs showing that the studied devices are in agreement with the internal specifications and that the fabrication process can be considered as uniform.