Epitaxie de nouvelles hétérostructures pour la filière GaAs : puits/boîtes quantiques GaInAs sur surfaces structurées et alliages GaAsBi

Abstract

Une des forces des semi-conducteurs composés et de leurs alliages est de permettre une ingénierie très flexible des structures de bande et de couvrir une large bande spectrale intéressant de nombreuses applications optoélectroniques. De plus, il est possible de les réaliser sous forme de puits et boîtes quantiques, qui constituent des émetteurs efficaces pour les diodes laser. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte du développement de nouvelles hétérostructures quantiques pour la filière GaAs en vue d'étendre sa gamme d'application. En premier lieu, la reprise d'épitaxie par jet moléculaire des puits quantiques de GaInAs et la croissance dirigée des boites quantiques d'InAs sur des surfaces nanostructurées de GaAs ont été visées. La structuration de surface a été réalisée par un procédé de nanoimpression que nous avons mis au point et par lithographie électronique. La désoxydation in situ par plasma hydrogène et sous flux de gallium a été étudiée et des surfaces lisses et propres ont été obtenues. L'influence de l'orientation et de la dimension des motifs sur les nanostructures a été précisée. La luminescence des nanostructures à température ambiante a été démontrée. En second lieu, la croissance des puits quantiques de GaAsBi a été développée après une optimisation des conditions de croissance de couches épaisses de GaAsBi. Une émission à température ambiante d'une longueur d'onde de 1.22 µm a été mesurée pour un puits contenant 7% de bismuth. Il présente des interfaces planes, une épaisseur uniforme et est déformé élastiquement. Par ailleurs, la présence d'états localisés a été mise en évidence par spectroscopie de photoluminescence. Nous avons montré que les recuits ne parviennent pas à guérir ces défauts.Compound semiconductors provide a high flexibility in band structure engineering and cover a wide spectral band, meeting requirements for a large amount of optoelectronic applications. Moreover, they can be structured as quantum wells or quantum dots to form efficient emitters for laser diodes. My thesis deals with the development of novel quantum heterostructures for GaAs technology with the aim to further extend this material system range of applications. I have investigated two kinds of nanostructures: growth on nanostructured surfaces and GaAsBi alloys. The first part of the work is dedicated to the molecular beam epitaxy of InGaAs quantum wells and InAs quantum dots on nanopatterned GaAs surfaces. Surface patterning was carried out using a nanoimprint lithography process that we have developed and by electron beam lithography. Critical to the success of the subsequent growth step was the development and optimisation of hydrogen plasma and Ga-triggered oxide desorption from patterned GaAs to obtain smooth and clean surfaces. Our results show that growth of quantum dots can be directed, with dependence in orientation and pattern size. Furthermore, photoluminescence from these nanostructures is observed at room temperature. In the second part of the thesis, the growth of GaAsBi quantum wells was studied after optimization of the growth conditions for thick GaAsBi layers. Room temperature emission up to a wavelength of 1.22 µm is demonstrated for a strained GaAsBi quantum well (7% Bi). This latter structure exhibits flat interfaces. Moreover, the presence of defect-related localized states was highlighted by photoluminescence spectroscopy. It is further shown that these defects cannot be entirely suppressed by a rapid thermal annealing treatment