Épitaxie de GaSb sur substrat Si(001)“on-axis”pour l’optoélectronique intégrée
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Abstract EN:
The mid-infrared spectrum, typically defined from 2 to 20 µm, is of great interest for various gas sensing applications. Silicon (Si) photonics provides a very compact and cost-effective on-chip solution and is consequently a promising candidate for future real-time gas monitoring developments. However, a key element missing in the mid-infrared Si photonic circuits is an efficient light source. In recent years, the monolithic integration of Sb-based lasers with the Si platform has emerged as a promising technology to overcome this issue. The epitaxial growth of GaSb semiconductors directly on Si remains challenging due to the high density of defects generated during the growth. Notably, anti-phase-boundaries (APBs) generation represents the main limitation, since they severely impede the resulting device performance. The main objective of this thesis has been to demonstrate the growth of emerging-APBs-free GaSb layers on on-axis Si, which was not achieved up to this point. For this, we developed a sophisticated Si surface preparation procedure which leads to the annihilation of the APBs during the GaSb layer deposition. Furthermore, experimental evidences are shown which improve the understanding of the burying mechanism of the APBs. Complementary studies were then carried out to suppress the presence of other defects, like twins, and threading dislocations, and hence improved the overall quality of the grown GaSb. Finally, the potential of these emerging-APB-free GaSb samples as templates for good performance lasers devices was confirmed.
Abstract FR:
Le spectre de l'infrarouge moyen, généralement défini entre 2 et 20 µm, présente un grand intérêt, principalement pour diverses applications de détection de gaz. La photonique silicium (Si) offre une solution compacte et rentable et constitue donc un candidat prometteur pour les futurs développements dans le domaine de l’analyse de gaz en temps réel. Cependant, un élément clé manquant aux circuits photoniques Si dans l'infrarouge moyen est une source de lumière efficace. Ces dernières années, l'intégration monolithique de lasers à base de Sb sur plate-forme Si est apparue comme une technologie prometteuse pour surmonter ce défi. La croissance epitaxiale de semi-conducteurs GaSb directement sur silicium reste un défi en raison de la forte densité de défauts générés lors de la croissance. En particulier, la génération de parois d’anti-phase (APBs) représente une limitation majeure, car elle détériore sérieusement les performances du composant. L'objectif principal de cette thèse, a été la croissance de couches de GaSb sans APB, ce qui n'avait jamais été réalisée auparavant. À cette fin, nous avons mis au point une procédure sophistiquée de préparation de la surface de Si qui conduit à l'annihilation des APBs lors du dépôt de la couche de GaSb. En outre, des preuves expérimentales sont présentées qui améliorent la compréhension du mécanisme d'enfouissement des APBs. Dans le but d’améliorer la qualité générale du GaSb épitaxié, des études ont été menées afin de supprimer également la présence d'autres défauts, tels que les twins, et les dislocations. Enfin, des échantillons optimisés de GaSb/Si sans APBs ont été utilisés pour fabriquer des lasers à base de Sb, démontrant qu'ils sont adaptés pour la réalisation de capteurs photoniques intégrés dans l'infrarouge moyen.