Sur l’origine de l’interdiffusion de puits quantiques par laser uv dans des heterostructures de semi-conducteurs iii-v

Abstract

Résumé : Les circuits photoniques intégrés qui combinent des dispositifs photoniques pour la génération, la détection, la modulation, l'amplification, la commutation et le transport de la lumière dans une puce, ont été rapportés comme étant une innovation technologique importante qui simplifie la conception du système optique et qui réduit l'espace et la consommation de l'énergie en améliorant ainsi la fiabilité. La capacité de modifier la bande interdite des zones sélectives des différents dispositifs photoniques à travers la puce est la clé majeure pour le développement de circuits photoniques intégrés. Comparé à d'autres méthodes d’épitaxie, l’interdiffusion de puits quantiques a attiré beaucoup d'intérêt en raison de sa simplicité et son efficacité en accordant la bande interdite durant le processus de post-épitaxie. Cependant, l’interdiffusion de puits quantiques a subi des problèmes reliés au manque de précision pour modifier convenablement la bande interdite ciblée et à l’incontrôlabilité de l’absorption des impuretés au cours du processus qui peut dégrader la qualité du matériel interdiffusé. Dans cette thèse, nous avons utilisé les lasers excimer pour créer des défauts à proximité de la surface (~ 10 nm) des microstructures à base de puits quantiques III-V (par exemple InP et GaAs) et pour induire l’interdiffusion après le recuit thermique. L'irradiation par les lasers excimer (ArF et KrF) des microstructures à puits quantiques a été réalisée dans différents environnements, y compris l'air, l'eau déionisée, les couches diélectriques (SiO2 et Si3N4) et les couches d’InOx. Pour proposer un bon contrôle de la technique d’interdiffusion de puits quantiques par laser excimer, nous avons étudié la génération et la diffusion de défauts de surface en utilisant différentes méthodes de caractérisation de surface/interface, comme l'AFM, SEM, XPS et SIMS qui ont été utilisées pour analyser la modification de la morphologie de surface/interface et la modification chimique de la microstructure de ces puits quantiques. La qualité des microstructures à puits quantiques étudiées a été représentée par des mesures de photoluminescence et de luminescence des diodes lasers ainsi fabriqués. Les résultats montrent que le laser excimer induit des quantités d'oxydes de surface dans les surfaces des microstructure à puits quantiques InP/InGaAs/InGaAsP dans l'air et des impuretés d'oxygène des couches d'oxydes diffusées dans la région active de la microstructure lors du recuit, ce qui améliore l’interdiffusion, mais réduit l'intensité de la photoluminescence. Par contre, l’irradiation dans un environnement d'eau déionisée n’a pas démontré de diffusion des impuretés évidentes d'un excès d'oxygène vers les régions actives, mais la stœchiométrie de surface a été restaurée après l’interdiffusion. L’InOx a été trouvé avec un grand coefficient de dilatation thermique dans la microstructure interdiffusée qui était supposée d’augmenter la contrainte de compression dans la région active et ainsi d’augmenter l'intensité de photoluminescence de 10 fois dans l’échantillon irradié dans l'eau déionisée. Concernant les microstructures avec une couche diélectrique, la modification de la bande interdite a été toujours réalisée sur des échantillons dont les couches diélectriques ont été irradiées et la surface de InP a été modifiée par le laser excimer. Pour l'échantillon avec une couche de 243 nm de SiO2, les variations de la photoluminescence ont été mesurées sans l’ablation de cette couche de SiO2 lors de l'irradiation par le laser KrF. Cependant, la morphologie de l'interface d’InP a été modifiée, les oxydes d'interface ont été générés et les impuretés d'oxygène se sont diffusées à l'intérieur des surfaces irradiées. Les améliorations de l’interdiffusion dans les deux surfaces non irradiées et irradiés de l'échantillon couvert de couche d’InOx ont démontré l'importance des oxydes dans l’interdiffusion des puits quantiques. Les diodes laser fabriquées à partir d’un matériau interdiffusé par un laser KrF ont montré un seuil de courant comparable à celui des matériaux non interdiffusés avec un décalage de photoluminescence de 100 nm. En combinant un masque d'aluminium, nous avons créé un déplacement uniforme de photoluminescence de 70 nm sur une matrice rectangulaire de 40 μm x 200 μm ce qui présente un potentiel d’application de l’interdiffusion des puits quantiques par les lasers excimer dans les circuits photoniques intégrés. En outre, les lasers excimer ont été utilisés pour créer des structures de nano-cônes auto-organisées sur des surfaces de microstructure de InP/InGaAs/InGaAsP en augmentant l'intensité de PL par ~ 1.4 fois. Les lasers excimer ont été aussi utilisés pour modifier la mouillabilité sélective des zones d’une surface de silicium par une modification chimique de surface induite par laser dans différents milieux liquides. Ainsi, la fluorescence des nanosphères a été réussie pour des fonctions de configuration spécifique avec une surface de silicium. // Abstract : Photonic integrated circuits (PICs) which combine photonic devices for generation, detection, modulation, amplification, switching and transport of light on a chip have been reported as a significant technology innovation that simplifies optical system design, reduces space and power consumption, improves reliability. The ability of selective area modifying the bandgap for different photonic devices across the chip is the important key for PICs development. Compared with other growth methods, quantum well intermixing (QWI) has attracted amounts of interest due to its simplicity and effectiveness in tuning the bandgap in post-growth process. However, QWI has suffered problems of lack of precision in achieving targeted bandgap modification and uncontrollable up-taking of impurities during process which possibly degrade the quality of intermixed material. In this thesis, we have employed excimer laser to create surface defects in the near surface region (~ 10 nm) of III-V e.g. InP and GaAs, based QW microstructure and then annealing to induce intermixing. The irradiation by ArF and KrF excimer lasers on the QW microstructure was carried out surrounded by different environments, including air, DI water, dielectric layers (SiO2 and Si3N4) and InOx coatings. To propose a more controllable UV laser QWI technique, we have studied surface defects generation and diffusion with various surface/interface characterization methods, like AFM, SEM, XPS and SIMS, which were used to analyse the QW surface/interface morphology and chemical modification during QWI. The quality of processed QW microstructure was represented by photoluminescence measurements and luminescence measurements of fabricated laser diodes. The results shows that excimer laser induced amounts of surface oxides on the InP/InGaAs/InGaAsP microstructure surface in air and the oxygen impurities from oxides layer diffused to the active region of the QW microstructure during annealing, which enhance intermixing but also reduce the PL intensity. When irradiated in DI water environment, no obvious excessive oxygen impurities were found to diffuse to the active regions and the surface stoichiometry has been restored after intermixing. InOx with large coefficient of thermal expansion was found inside the intermixed QW microstructure, which was supposed to increase the compressive strain in active region and enhance the PL intensity to maximum 10 times on sample irradiated in DI water. On microstructure coated with dielectric layers, bandgap modifications were always found on samples whose dielectric layers were ablated and InP surface was modified by excimer laser. On sample coated with 243 nm SiO2 layer, the PL shifts were found on sample without ablation of the SiO2 layer when irradiated by KrF laser. However, the InP interface morphology was modified, interface oxides were generated and oxygen impurities have diffused inside on the irradiated sites. The enhancements of interdiffusion on both non irradiated and irradiated sites of sample coated with InOx layer have verified the importance of oxides in QWI. The laser diodes fabricated from KrF laser intermixed material have shown comparable threshold current density with as grown material with PL shifted by 133 nm. Combined aluminum mask, we have created uniform 70 nm PL shifts on 40 μm x 200 μm rectangle arrays which presents UV laser QWI potential application in PICs. In addition, excimer lasers have been used to create self organized nano-cone structures on the surface of InP/InGaAs/InGaAsP microstructure and enhance the PL intensity by ~1.4x. Excimer lasers have selective area modified wettability of silicon surface based on laser induced surface chemical modification in different liquid environments. Then the fluorescence nanospheres succeeded to specific pattern functions with silicon surface.