Croissance du GaInAs par épitaxie hybride et investigation de l’effet mémoire du germanium dans un réacteur III-V CBE pour des applications optoélectroniques

Abstract

Au cours des dernières années, les énergies renouvelables et les technologies vertes se sont répandues afin de répondre au besoin de l’Homme tout en préservant l’environnement et en en contribuant a une nouvelle prosperité économique. Plusieurs domaines, dont l’optoélectronique, se sont développés allant du secteur industriel au grand public. L’essor de la technologie durable et verte a ainsi permis à l’optoélectronique d’envahir de nombreux domaines entre autres celui des télécommunications, de l’électronique militaire et du photovoltaïque. Ces développements sont rendus possibles par le biais de matériaux/alliages semi-conducteurs III-V et IV et du procédé de fabrication utilisée pour fabriquer le dispositif. Les matériaux III-V et IV présentent des propriétés intrinsèques uniques qui sont intéressantes pour de nombreux dispositifs qui utilisent les semiconducteurs comme par exemple : les cellules solaires à hautes performances et des récepteurs optiques tels que les photodiodes à avalanches, en télécommunication. De telles propriétés de matériaux sont étroitement liées à la technique de croissance (épitaxie) employée pour développer ces matériaux/alliages cristallins. Par exemple, le GaInAs présente une forte sensibilité aux conditions de croissance. Sa pureté nécessaire pour le bon fonctionnement des photodiodes à avalanche dépend donc de la technique de croissance utilisée. Par ailleurs en ce qui concerne les cellules solaires, l’utilisation de lumière concentrée se veut une méthode pour réduire les coûts de l’électricité. Cette réduction est toujours en cours, car elle est fortement dépendante de l’efficacité des cellules solaires sous lumière concentrée. Dans le cadre de cette thèse, nous avons évalué le portentiel d’une nouvelle technique d’épitaxie dite épitaxie hybride. Celle-ci est obtenue en modifiant notre réacteur CBE, ce qui a permis de croître sur InP une haute qualité et pureté de ternaires III-V (GaInAs et AlInAs). Ceci suggère ainsi l’implémentation de ces alliages dans des hétérostructures épitaxiales de photodiodes à avalanche à haute performance. La technique d’épitaxie hybride du GaInAs sur InP utilise l’arsine comme source d’arsenic, puis l’indium solide et le TEGa, respectivement comme précurseur d’indium et de gallium. La comparaison de cette technique avec des techniques conventionnelles comme la CBE, la MOCVD et la MBE atteste qu’un intérêt particulier devrait être porté à rendre mature cette technique pour une plus large utilisation. L’utilisation simultanée du groupe IV (Ge) et du groupe III-V dans notre réacteur III-V CBE a démontré un effet mémoire du Ge dans les alliages III-V. Les méthodes developpées pour limiter cet effet mémoire ont permis de croître du Ge de haute qualité et du GaAs pour les cellules solaires et les transistors bipolaires. Et enfin, une fabrication de cellule solaire double jonction GaInP/GaAs a été faite et ses performances sous lumière concentrée ont confirmé aussi bien la bonne qualité de l’hétérostructure de la cellule que du procédé de fabrication. Cette dernière ouvre ainsi la voie vers son intégration dans une cellule solaire quatre jonctions GaInP/GaAs/SiGeSn/Ge pour de plus hautes performances sous lumière concentrée.

Abstract : In recent years, green energy and sustainable technologies have spread to meet human needs while preserving the environment and ensuring a good economy. Several sectors including optoelectronic have been developed, extending from the industrial sector to the public. The rise of sustainable technology has thus enabled optoelectronics to invade many fields such as telecommunications, military electronics, photovoltaics and many others. These developments are made possible by III-V and Group IV semiconductor materials/alloys whose unique intrinsic properties are attractive for high-performance solar cells and optical receivers such as avalanche photodiodes in telecommunications. Such properties are closely related to the growth technique (epitaxy) used to develop these materials/alloys. For example, GaInAs has a high sensitivity to growth conditions and its purity required for the proper functioning of avalanche photodiodes is therefore dependent on the growth technique used. In addition to the material properties, the fabrication technique also has a direct impact on the performance of the optoelectronic devices, including solar cells under concentrated light. In fact, the use of concentrated light is intended to be an approach to reduce electricity costs. This reduction is still ongoing because it is highly dependent on the efficiency of solar cells under concentrated light. In this research, we have developed a new epitaxy technique called hybrid epitaxy obtained by customizing our CBE reactor. It has allowed the growth of high quality and purity of III-V ternary alloys (GaInAs and AlInAs) on InP substrates. The latter permits the implementation of these alloys in epitaxial heterostructures of high-performance avalanche photodiodes. The hybrid epitaxy technique of GaInAs on InP substrates uses arsine as a source of arsenic, followed by solid indium and Triethylgallium (TEGa) as a precursor of indium and gallium, respectively. This approach uniquely combines solid sources and metalorganic sources. We demonstrate that the solid sources have the advantage of producing lower doping backgrounds. Comparison of this technique with conventional techniques such as CBE, MOCVD and MBE indicates that interest should be given to maturing this technique for wider use. Furthermore, the simultaneous use of group IV (Ge) and group III-V in our III-V CBE reactor has demonstrated a memory effect of Ge in III-V alloys, and the processes used to limit this memory effect have established the possibility of growing high-quality Ge and GaAs for solar cells and bipolar transistors. Finally, a GaInP/GaAs double junction solar cell has been fabricated. Its performance under concentrated light confirmed both the good quality of the heterostructure of the cell and of the fabrication process. This opens the way to its integration into a four-junction GaInP/GaAs/SiGeSn/Ge solar cell for higher performance under concentrated light.