Croissance de pseudo-substrats GaN semi polaire (10-11) sur silicium sur isolant (SOI)

par Rami Mantach

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Vennéguès et de Guy Feuillet.

Soutenue le 10-09-2019

à l'Université Côte d'Azur (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Université de Nice (1965-2019) (établissement de préparation) , Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) , Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) , Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications (laboratoire) et de Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (laboratoire) .

Le président du jury était Cécile Gourgon.

Le jury était composé de Cécile Gourgon, Agnès Trassoudaine, Xavier Wallart, Philippe Gillet, Fabrice Semond, Florian Tendille.

Les rapporteurs étaient Agnès Trassoudaine, Xavier Wallart.


  • Résumé

    La croissance épitaxiale des semi-conducteurs III- N dans des orientations non - ou semi-polaires, permet d’éviter les effets associés à l’existence de champs internes dans les hétéro-structures à base de GaN usuellement épitaxiées dans la direction c. Le travail de thèse que nous présenterons s’inscrit dans la recherche de voies d’optimisation de la structure cristalline des couches épitaxiées dans des directions semi polaires <10-11> sur des substrats du type Silicium désorientés de 7° par rapport à la direction <001>. Une structuration adéquate de ces substrats d’orientation particulière permet de faire apparaitre des facettes inclinées d’orientation <111> sur lesquelles le GaN s’épitaxie dans la direction c. Le nombre de dislocations émergentes, créées à la nucléation, est alors directement proportionnel à la surface de ces facettes de Si <111>. Réduire la densité de dislocations à des niveaux faibles tels qu’obtenus sur substrat saphir nécessite donc de réduire la taille des facettes de nucléation. La solution originale que nous avons développée consiste à utiliser des substrats SOI pour lesquels la couche supérieure de Si (au-dessus du BOX) est désorientée de 7° par rapport à la direction <001> et est la plus fine possible, réduisant de ce fait l’empreinte du substrat. L’optimisation à la fois des procédés de structuration du substrat et des étapes de la croissance nous a permis de réduire d’un facteur 10 la densité de dislocations émergentes dans les couches de GaN <10-11> semi polaire par rapport à l’état de l’art sur substrat Si. La contrainte résiduelle, en tension lorsque sur Si, est ici quasi nulle. La réduction de la surface de nucléation a également entraîné l’élimination du phénomène de « melt-back etching », habituellement impossible à prévenir pour des couches semi-polaires épitaxiées sur des substrats Si. Nous montrerons également que l’utilisation de la technique dite «Aspect Ratio Trapping », mise en œuvre pour les matériaux de symétrie cubique est directement applicable au cas des nitrures (qui sont de symétrie hexagonale) semi-polaires lorsqu’épitaxiés sur SOI, entraînant un autre facteur 10 dans la réduction de la densité de dislocations. Dans un dernier temps, nous avons utilisé ces couches semi-polaires à basse densité de dislocations pour réaliser des couches d’InGaN métamorphiques, c’est-à-dire relaxée élastiquement et dont les dislocations de misfit sont alignées le long de l’interface. La relaxation des contraintes permet une plus grande incorporation d’indium dans le but de réaliser des diodes à plus grande longueur d’onde. Dans ce sens, nous démontrons la réalisation de la première LED semi polaire faite sur des substrats SOI.

  • Titre traduit

    Growth of semi polar GaN (10-11) on silicon on insulator substrate SOI


  • Résumé

    The epitaxial growth of III-N semiconductors in non-or semi-polar orientations avoids the effects associated with the existence of internal fields in GaN-based hetero-structures usually epitaxial in the cdirection. The thesis work that we will present is part of the search for ways to optimize the crystalline structure of the epitaxial layers in semi polar directions <10-11> on silicon substrates disoriented by 7 ° with respect to the direction <001>. Proper structuring of these substrates of particular orientation makes it possible to reveal facets inclined <111> on which the GaN epitaxies in the direction c. The number of emergent dislocations, created at nucleation, is then directly proportional to the surface of these facets of Si <111>. Reducing the density of dislocations to low levels as obtained on sapphire substrate therefore requires reducing the size of the nucleation facets. The original solution we have developed is to use SOI substrates for which the upper layer of Si (above the BOX) is disoriented by 7 ° with respect to the <001> direction and is as thin as possible, reducing by makes the impression of the substrate. Optimization of both the substrate structuring process and the growth stages allowed us to reduce the emerging dislocation density in GaN <10-11> semipolar layers by a factor of 10 compared to state of the art on Si substrate. The residual stress, in tension when on Si, is here almost zero. Reduction of the nucleation surface has also resulted in the elimination of the "melt-back etching" phenomenon, usually impossible to prevent for semi-polar epitaxial layers on Si substrates. We will also show that the use of the so-called "Aspect Ratio Trapping", implemented for cubic symmetry materials is directly applicable to the case of semi-polar nitrides (which are of hexagonal symmetry) when epitaxied on SOI, causing another factor 10 in the reduction of the density of dislocations. Lastly, we used these semi-polar low-density dislocation layers to make metamorphic InGaN layers, that is to say elastically relaxed and whose misfit dislocations are aligned along the interface. Stress relaxation allows for greater incorporation of indium for the purpose of producing longer wavelength diodes. In this sense, we demonstrate the realization of the first semi-polar LED made on SOI substrates.


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