GaN based structures on patterned silicon substrate : stress and strain analysis
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Le présent travail concerne l’étude des contraintes et des déformations dans le matériau GaN épitaxié par EJM et par EPVOM sur substrat silicium texturé en vue d’éviter la fissuration du matériau et ainsi obtenir des motifs compatibles avec la réalisation de composants (DELs, Lasers, transistors etc. ). Nous avons étudié des motifs différents en tailles, séparations, hauteurs de tranchées, formes, orientations dans le plan ainsi que deux orientations cristallines du substrat silicium. Au-delà d’une épaisseur critique du film déposé, pour une forme de motif donnée, la fraction de motifs fissurés augmente avec la taille des motifs. 88% des motifs en losange et 96% des motifs carrés sont exempts de fissures pour des films GaN épais de 12 μm pour une largeur égale à 200 μm. Une distribution en U de la contrainte en tension est mise en évidence par spectroscopie micro-Raman et par micro-photoluminescence pour les différentes tailles de motifs étudiés, le maximum de contrainte se situant en leur centre et la contrainte se relaxant graduellement vers les bords libres. La contrainte augmente avec la taille des motifs, mais diminue avec la hauteur des tranchées réalisées dans le substrat. Un modèle analytique a été adapté pour rendre compte de la répartition des contraintes. La distance séparant les motifs influe peu. Quoi que la répartition des contraintes puisse être différente durant la croissance, nous avons montré la possibilité d’obtenir des films de GaN avec une bonne qualité cristalline sur ces motifs, ce qui montre que cette voie est prometteuse pour la fabrication de composants optoélectronique et électroniques jusqu’ici limités par la croissance sur substrat planaire.
Abstract FR:
This work deals with the stress and strain analysis of GaN grown on patterned Si substrate in order to avoid crack generation and to obtain the suitable size of the pattern for device (LED, LD, transistor etc. ) applications. Using patterned substrate we have grown thick crack free continuous GaN layers by MBE and by MOCVD. In this work, we have used different sizes of patterns, different trench widths, trench heights, different shapes and in-plane orientations of the patterns and two crystal orientations of Si substrate. We have found that beyond a critical film thickness, the number of cracked mesa increases with the increase in mesa size for a particular shape of mesa. In the case of square and lozenge shape mesas of 200 μm length, 96 and 88% mesas respectively are found crack free for 12 μm thick GaN film. To analyze the stress and strain, micro-Raman spectroscopy and micro-photoluminescence measurements are carried out on GaN mesa. A U-shape stress distribution is observed on different sizes of mesa where the maximum tensile stress is found at the center of the mesa while towards the free edges or corners of the mesa the stress gradually relaxes. It is also revealed that the in-plane stress increases with the increase in mesa size. In contrast, the in-plane stress decreases with the increase in trench height of Si substrate. However, the trench width shows no significant effect on the in-plane stress. An analytical model has been used to account for the stress distribution in the patterns. This study of thick GaN on patterned Si substrate seems to be promising for the fabrication of optoelectronic and electronic devices which were limited by the planar substrate.