Réalisation et étude de nanostructures de GaInAs épitaxiées sur un substrat InP.
Sylvain FRECHENGUES
Thèse publié en 2004 - 0 pages


Résumé

Sur InP(001) la relaxation est progressive au cours de l?interruption de croissance qui suit la croissance bidimensionnelle.

La photoluminescence a montré que la couche d?InAs passe d?abord par une morphologie en « plateaux » de 2 à 8 MC d?épaisseur. Ces plateaux présentent l?intérêt de localiser les porteurs jusqu?à température ambiante et de limiter la diffusion latérale des porteurs, ce qui maintient une forte intensité de luminescence à température ambiante.

Les plateaux d'InAs sont équivalents à des puits 2D indépendants les uns des autres. Si on laisse évoluer les plateaux (si ils ne sont pas tout de suite encapsulés par une couche d?InP), des îlots apparaissent. Ils ont été observés par microscopie électronique en transmission et microscopie à force atomique.

Les îlots d'InAs/InP sont plus gros, moins homogènes et en densité plus faible que pour le système InAs/GaAs avec lequel nous les avons comparés. La mise au point d'une nouvelle technique de caractérisation nous a permis d'attribuer la largeur du pic de luminescence à la distribution des hauteurs des îlots. Lorsque la concentration en Ga augmente (désaccord paramétrique inférieur et épaisseur nominale plus importante), la morphologie des couches ternaires de (Ga)InAs évolue vers des fils d'orientation bien déterminée.

Nous avons interprété ces différents résultats à l'aide d'un modèle énergétique et décrit le phénomène de relaxation élastique. Pour favoriser la nucléation des îlots nous nous sommes alors intéressés à l'orientation (113)B. Son attrait provient d'une moindre augmentation du terme d'énergie de surface lors de la transition 2D-3D qui est alors favorisée. Nous avons obtenu des îlots d'InAs de tailles inférieures et plus homogènes, présentant des facettes de bas indices. Leur densité est contrôlée par l'épaisseur nominale et peut atteindre des valeurs élevées pour lesquelles ils s'organisent dans le plan. Grâce à une interruption de croissance sous flux de phosphore, nous avons ajusté la longueur d?onde d?émission de la photoluminescence à 1.55 µm, qui est
utilisée pour les télécommunications par fibre optique.

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Realization and study of (Ga)InAs nanostructures grown by epitaxy on InP
substrates.

We have studied the structural and optical properties of self-assembled (Ga)InAs quantum dots grown by gas source molecular beam epitaxy on (001) and (113)B InP substrates.

The elastic relaxation process (i.e. the 2D to 3D growth mode transition) of the strained (Ga)InAs layer on the (001) orientation, evolves continuously from the twodimensional growth to the formation of 2?8 monolayer high platelets, and then to quantum dots if the growth is interrupted for a sufficient time. In the platelets, the in-plane diffusion of the electrons is limited and the non-radiative recombination at room temperature is reduced.
The high optical efficiency of the platelets could make them suitable candidates for the active zone of a laser, but the control of their size and emission wavelength is very difficult.

The InAs/InP quantum dots are twice as big as the InAs/GaAs ones and the dot density is lower. Using a new characterization technique, we demonstrate that the photoluminescence linewidth is directly related to the distribution of the dot sizes. The dots also are good traps for carriers up to the room temperature and have been successfully used in the trapping zone of
photorefractive devices.

For (Ga)InAs layers with different gallium concentrations, we have observed an elongation of the dots along the [1 1 0] crystallographic direction, which is
enhanced by a lower lattice mismatch and a higher nominal thickness of the layers.

High index (113)B InP substrates favor the elastic relaxation of the strain and gives rise to a higher dot density. The resulting quantum dots are smaller with a narrower size distribution than on the (100) InP substrate and are defined by low index facets. The dot density increases linearly with the amount of InAs deposited and at high density the dots tend to form a square array. Finally, we have exposed the dots to a phosphorous overpressure and
reduced the dot size through arsenic/phosphorous exchange. We have achieved a reproducible luminescence emission wavelength at 1.55 µm, which is of great interest for optical telecommunications.
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Sylvain FRECHENGUES

Institut National des Sciences Appliquées de Rennes
Laboratoire de Physique