Réduction de la densité de défaut cristallin dans les semiconducteurs III-V épitaxiés sur Silicium(001)

La technologie Silicium couplée aux performances optoélectroniques des semi-conducteurs III-V ouvre la voie à une avancée majeure qu’est la réalisation de circuits photoniques intégrés (PICs). Alors que l'intégration hétérogène a déjà fait ses preuves, une technique plus directe augmenterait les rendements, la densité d'intégration et réduirait les coûts des dispositifs. Ainsi, l'intégration monolithique de matériaux III-Sb sur Silicium est apparue comme une technologie de choix, en particulier pour des applications de détection dans le moyen infrarouge allant du diagnostic médical à la défense et l’aérospatial, en passant par la surveillance environnementale. Toutefois, l'intégration monolithique présente un défi considérable du fait de la densité de défauts cristallins créée lors de la croissance. Les différences entre les matériaux III-V et le Silicium mènent notamment à la formation de parois d’antiphase (APBs) et de dislocations traversantes (TDs). Malgré le travail substantiel réalisé au cours des dernières années, des densités de dislocations traversantes (TDD) de l'ordre de 10E9-10E8 cm-2 subsistent après la croissance de couches de GaSb de 500 nm à 1 μm d’épaisseur. Par conséquent, l'objectif de cette thèse était d'explorer de nouvelles stratégies pour réduire les densités de dislocations. Nous avons notamment combiné l'insertion de couches III-Sb à des recuits thermiques. En optimisant cette stratégie, nous avons réussi à démontrer une réduction significative de la TDD. De plus, nos résultats expérimentaux nous ont permis de proposer un mécanisme de relaxation plastique et de réduction de la TDD aux interfaces des couches d'insertion. Parallèlement, nous avons mené des expériences visant à accélérer l'élimination des APBs dans des couches fines de GaSb et avons amélioré notre compréhension du mécanisme d'enfouissement. Cette avancée nous a conduit à valider un modèle universel applicable à une large gamme de matériaux III-V sur substrats Si et Ge. Grâce à ces travaux, la maîtrise simultanée des APBs et des TDs a permis de finalement démontrer une TDD record dans les bas 10E7 cm-2 pour une épaisseur totale de 2 µm seulement.