Épitaxie de GaAs sur des substrats recouverts de graphène : vers des couches minces III-V transférables pour des applications photovoltaïques

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de cellules solaires III-V à faible coût. L'utilisation de substrats massifs en GaAs ou Ge représente une part importante du coût de production. La technologie de transfert de couches bidimensionnelles, basée sur l'emploi de matériaux 2D comme le graphène, apparaît comme une alternative prometteuse. L'étude porte sur la croissance et l'exfoliation de couches épaisses de GaAs sur substrats de GaAs (001) recouverts de graphène structuré. Dans notre étude le mécanisme de croissance est gouverné par une épitaxie initiée dans les ouvertures du graphène suivie d'une croissance latérale plutôt qu'une épitaxie à distance. Un procédé de transfert sec assisté par Ni, développé au laboratoire, a permis de transférer de façon reproductible le graphène du Ge (110) vers le substrat GaAs (001). La création des ouvertures dans la couche graphène sur GaAs a été fait par lithographie électronique. La croissance sélective de GaAs a été étudiée par différentes méthodes en MBE : MEE (Migration Enhance epitaxy) et PSE (Periodic Supply Epitaxy). Les deux méthodes permettent d'aboutir à une croissance sélective, cependant la PSE offre de meilleurs résultats en termes de croissance latérale. L'orientation cristallographique des ouvertures dans le graphène influence fortement la morphologie et la qualité du GaAs. L'orientation [010] +6° vers [110] a conduit à des couches lisses et de haute qualité cristalline, confirmées par analyses AFM, TEM, ECCI, Raman et CL/PL. Malgré une légère perte de tension de circuit ouvert (~48 mV) prédite par photoluminescence par rapport à un échantillon de référence, les propriétés optoélectroniques restent prometteuses pour des applications photovoltaïques. Enfin, des tests d'exfoliation ont confirmé la faisabilité du procédé 2DLT, avec un décollement réussi pour des recouvrements en graphène entre 50 à 83 % et des orientations favorables. L'ingénierie des motifs de graphène et l'optimisation des conditions de croissance permettent d'obtenir des couches de GaAs de haute qualité sur graphène, avec des propriétés prometteuses pour l'intégration photovoltaïque. L'exfoliation réussie valide le concept de couches actives détachables, ouvrant la voie à une réduction significative des coûts de fabrication des cellules solaires III-V et à l'intégration de matériaux hétérogènes dans les futures technologies.