Hétéro-épitaxie de Nitrure de Gallium sur substrat de silicium (111) et applications
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The work presented in this manuscript deals with the epitaxial growth of gallium nitride on silicon (111) substrate by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy for the optoelectronic applications of III-nitride semiconductors. Cracking of the GaN layers is a consequence of th tensile biaxial stress arising from the epitaxy on silicon. Experimental and theoretical analysis of the thermal and intrinsic stresses give a nes possibilities for the growth of GaN on S1 (111) and a better understanding of the problem of cracks in GaN layers. AIN/GaN superlattices have been used for stress engineering in GaN layers deposited on silicon and to strongly increase the GaN thickness deposited on Si (111) without any crack. InGan on silicon for electronic and optoelectronic applications. Three-dimensional growth process and Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) process have been developed in order to increase the optical and crystalline properties of GaN layers on silicon. For the first time, a decrease of the dislocations density of more than two orders of magnitude has been achieved in fully coalesced layers. The stresses present in ELO layers and cracked layers were explained by theoretical models for the reduction of stress from free surfaces. In agreement with these models, the stress present in GaN on silicon can be relieved and the formation of crack can be avoided by the decrease of the lateral dimensions of the layers.
Abstract FR:
Le travail présenté dans ce mémoire concerne l’hétéro-épitaxie de nitrure de galium sur substrat de silicium (111) par Epitaxie en Phase Vapeur d’OrganoMatalliques pour les applications optoélectroniques associées aux nitrures d’éléments III. Les fortes contraintes biaxiales en tension, issues de l’hétéro-épitaxie sur silicium, mènent à la fissuration des couches de GaN. Les diverses études (expérimentales et théoriques) des contraintes intrinsèque et thermique présentes dans GaN apportent une meilleure compréhension de la croissance de GaN sur Si (111), mais permettent aussi de mieux cerner les limitations liées à la fissuration de GaN sur ce nouveau substrat. L’utilisation de super-réseaux AIN/GaN rend possible le contrôle des contraintes dans GaN et permet d’augmenter significativement l’épaisseur de GaN déposée sur silicium sans fissures. Les performances des démonstrateurs de diodes électroluminescentes InGaN réalisés sur Si (111) permettent d’évaluer les possibilités offertes par les nitrures d’éléments III sur silicium pour la fabrication de composants électroniques u optoélectroniques. La croissance tridimensionnelle de GaN et la technique d’épitaxie par surcroissance latérale (ELO) ont été mises en œuvre sur Si (111) pour améliorer les propriétés optiques et cristalline du matériau épitaxié. Pour la première fois, la densité de dislocations dans GaN sur silicium a été réduite à 5 x 107 cm2 pour des couches de GaN ELO complètement coalescées. Les contraintes présentes dans les couches ELO et les couches fissurées sont correctement décrites par les modélisations concernant la réduction de contrainte à partir des surfaces libres. En accord avec ces modélisations concernant la réduction des dimensions latérales des couches, grâce à l’épitaxie sélective, diminue fortement les contraintes dans les couches épitaxiées et permet d’éviter les fissures.