Fabrication and study of AIN optical resonators containing GaN quantum dots for UV emitters and new concepts for the growth of GaN on silicon substrates

par Mohammad Junaebur Rashid

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Yves Duboz et de Fabrice Semond.

Soutenue en 2012

à Nice .

  • Titre traduit

    Fabrication et étude de résonateurs optiques à base d'AIN contenant des boîtes quantiques GaN pour l'émission UV et nouveaux concepts pour la croissance du GaN sur substrat silicium


  • Résumé

    Cette étude porte sur la fabrication de cavités optiques à base d’AlN pour la réalisation de micro-sources UV. A partir de films d’AlN épitaxiés sur substrats silicium par EJM-NH3, des cavités à cristaux photoniques (CPs) et des microdisques ont été fabriqués. Deux procédés de fabrication de type « bottom-up » et « top-down » ont été développés et comparés. Quelque soit le procédé de fabrication, les CPs possèdent des facteurs de qualité (Q) comparables. Cependant, l’approche classique “top-down” permet d’obtenir un meilleur rendement de fabrication. Des valeurs de Q autour de 4400 sont mesurées dans le proche UV et on démontre un bon contrôle de l’énergie du mode de cavité en fonction des paramètres structuraux de la cavité. Dans les microdisques, on mesure des Q supérieurs à 7000 dans le proche UV. Les boîtes quantiques (BQs) GaN/AlN s’avèrent être des émetteurs efficaces dans l’UV mais à cause d’un fort champ électrique interne, leur durée de vie radiative est longue et le nombre de photons qui se trouve dans le mode de cavité est trop faible pour obtenir un effet laser. Nous avons modifié le mode de croissance des BQs GaN/AlN afin d’obtenir des BQs plus petites, et ainsi raccourcir leur temps de vie radiatif. Dans la dernière partie de l’étude, nous proposons des stratégies pour améliorer la croissance du GaN sur Si. En particulier, nous proposons un traitement de surface original qui permet de réduire la densité de dislocations dans le GaN. Enfin, une étude de la croissance sur substrats structurés indique que cette technique permet d’empêcher la fissuration du GaN sur Si.


  • Résumé

    This work focuses on the fabrication of AlN-based optical cavities for the realization of UV microsources. Using AlN epitaxial films grown on silicon substrates by NH3-assisted MBE, photonic crystal cavities (PCs) and microdisk (disk) resonators are fabricated. A bottom-up and a top-down fabrication process are developed and assessed. PCs exhibit similar optical quality factors (Q) whatever the fabrication process. However the top-down fabrication process gives a much better fabrication yield. Q values up to 4400 are measured in the near UV and a good control of the energy of cavity modes is demonstrated. On the other hand, disk resonators exhibit whispering gallery modes with Q factors above 7000 in the near UV. GaN/AlN quantum dots (QDs) turn out to be intense UV emitters but due to the strong internal electric field, their radiative lifetime is long and the number of photons feeding the cavity mode is likely too low for lasing. The growth mode of GaN/AlN QDs is studied and modified to obtain smaller dots in order to shorten their radiative lifetime. In a last part, new growth strategies are developed to improve and facilitate the growth of GaN on Si. An original surface treatment is studied to decrease the dislocation density in GaN layers. Also, growth on patterned silicon substrates is studied to overcome the cracking of GaN layers grown on silicon substrates.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (196 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres. Résumés en français et en anglais

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  • Bibliothèque : Université Nice Sophia Antipolis. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 12NICE4083
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