Caractérisation et conception de semiconducteurs à base de nitrures de gallium pour les applications de guidage d'ondes

Abstract

Ce travail de thèse est lié concerne l’étude de composants optoélectroniques à base de nouveaux matériaux semi-conducteurs, les nitrures de gallium (GaN) déposés sur silicium. Les défis qui nous attendent concernent essentiellement la qualité microstructurale des couches et la fabrication de composants fonctionnant à hautes fréquences avec des faibles pertes optiques. Durant ces recherches, il a été nécessaire d’évaluer les propriétés optiques et électro-optiques par la technique du couplage prisme, sur des configurations GaN/Si. Il a été démontré que les indices de réfraction du GaN restent relativement élevés (n0=2.285 à la longueur d’onde λ=1.5µm), assez comparables à ceux obtenus sur le substrat de référence, le saphir. Des analyses en température ont également permis de vérifier la stabilité des indices. Par contre, nous avons pu observer une augmentation des pertes de propagation optique, liées à la forte densité de dislocations dans la couche GaN. Une première démonstration des effets électro-optiques de type Pockels a pu être réalisée au cours de cette thèse. Pour une structure d’épaisseur 1µm, nous avons relevé des coefficients r13 de l’ordre de +1pm/V et r33 de +1.67 pm/V, soit 50% supérieurs à ceux du GaAs. L’ensemble de ces travaux doit permettre la conception de composants de type modulateurs et commutateurs optiques.This research is related to the study of optoelectronic devices based on new gallium nitride semi-conductors (GaN) deposited on silicon. The aim concerns essentially the microstructural quality of the materials and the fabrication of components operating at high frequency with limited optical propagation loss. During this study, we have evaluated the optical properties as well as the electro-optic ones by prism coupling into GaN on Si. We have demonstrated that the refractive index of GaN remains relatively constant to a value of 2.285 at λ=1.5µm, comparable to the index reported for the reference structure, GaN/sapphire. The influence of temperature has been also investigated, showing a relative stability of the index. The increase of optical loss is observed as a consequence of the higher dislocation density in GaN deposited on Si. The investigation of electro-optic effect is proposed here: we report Pockels coefficients r13=+1pm/V and r33=+1.67pm/V: they are higher to 50% than those obtained in well-known GaAs semiconductors. This study will allows us to design and fabricate optical components as modulators and switches