Epitaxie des boîtes quantiques InAs/InP(001) de hautes performances pour les applications laser

par Georges Elias

Thèse de doctorat en Physique. Optoélectronique

Sous la direction de Le Corre, Alain.

Soutenue en 2009

à Rennes, INSA .

mots clés

• Épitaxie -- Épitaxie -- Faisceaux moléculaires -- Photométrie -- Lumière et ténèbres -- Systèmes analogiques

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de la croissance des boîtes quantiques (BQs) d’InAs/InP(001), et son application pour la réalisation des composants optoélectroniques émettant à la longueur d’onde des télécommunications optiques (1,55µm). Les BQs sont formées en épitaxie par jets moléculaires selon le mode de croissance Stranski-Krastanow. Le travail de la thèse s’est focalisé sur l’élaboration de BQs sur substrat d’orientation (001) qui est le plus utilisé dans l’industrie mais sur lequel la croissance des BQs apparaît plus complexe. Dans un premier temps nous passons en revue les modèles dits de « nucléation-croissance », qui permettent de rendre compte la plupart des résultats expérimentaux pour les systèmes InAs/GaAs et InAs/InP. La morphologie des nanostructures sur substrat InP(001) est ensuite étudiée en fonction des paramètres de croissance, par des moyens d’analyses structurales et optiques. Nous observons une transition de la forme des nanostructures (de fils à boîtes) qui peut être interprétée dans le cadre du modèle énergétique de Tersoff. Nous mettons en évidence que cette transition est reliée à la différence d’énergie de surface des facettes parallèles à [110] et [1-10] qui dépend fortement du flux d’arsenic Dans une deuxième partie, nous étudions la croissance sur des surfaces vicinales d’InP(001). L’utilisation d’une désorientation spécifique (vers [1-10]) a permis de réduire l’effet de l’anisotropie de la surface (001) et de favoriser la nucléation de BQs isotropes. L’optimisation du flux d’arsenic pour cette désorientation, conduit à une forte densité de BQs, (9. 1010cm-2) et une réduction de leurs dimensions. La fabrication de structures lasers à BQs a permis l’obtention de l’émission laser à température ambiante avec des performances en terme de courant de seuil (141 A/cm2) comparables aux meilleurs résultats reportés dans la littérature.

Titre traduit

Epitaxie of high -performances InAs/InP (001)Quantum dots for lasers applications

Résumé

InAs quantum dots grown on InP substrate are attractive for optoelectronic devices working at 1. 55 µm used in long haul telecommunication network. This PhD work concerns the formation of QD by molecular beam epitaxy on InP (001) substrates. Such substrate orientation is largely used in industry for device elaboration; however the formation of QD on it appears complex. In a first part the trend of QD structural characteristic changes versus growth parameters are reviewed and discussed in the frame of a classical nucleation and growth model. We show as a function of nanostructure size, a shape change from wires to quantum dots. We evidence the key role of the arsenic pressure on this transition. Calculations based on Tersoff analytical expression of the nanostructure energy show that the shape change can be related to the différence of the surface energy of their facets. In the second part of this work the growth on misoriented InP(001) substrates is investigated. Alter optimization of arsenic pressure during growth and substrates miscut direction, a high density (9 1010 QD/cm2) of small quantum dots has been achieved on InP(001). Further investigations allow us to achieve QD laser on InP (001) vicinal substrates with a threshold current density as low as 141 A/cm2.