Croissance de pseudo-substrats GaN semi polaire (10-11) sur silicium sur isolant (SOI)

La croissance epitaxiale des semi-conducteurs III- N dans des orientations non - ou semi-polaires, permet d’eviter les effets associes a l’existence de champs internes dans les hetero-structures a base de GaN usuellement epitaxiees dans la direction c. Le travail de these que nous presenterons s’inscrit dans la recherche de voies d’optimisation de la structure cristalline des couches epitaxiees dans des directions semi polaires sur des substrats du type Silicium desorientes de 7° par rapport a la direction . Une structuration adequate de ces substrats d’orientation particuliere permet de faire apparaitre des facettes inclinees d’orientation sur lesquelles le GaN s’epitaxie dans la direction c. Le nombre de dislocations emergentes, creees a la nucleation, est alors directement proportionnel a la surface de ces facettes de Si . Reduire la densite de dislocations a des niveaux faibles tels qu’obtenus sur substrat saphir necessite donc de reduire la taille des facettes de nucleation. La solution originale que nous avons developpee consiste a utiliser des substrats SOI pour lesquels la couche superieure de Si (au-dessus du BOX) est desorientee de 7° par rapport a la direction et est la plus fine possible, reduisant de ce fait l’empreinte du substrat. L’optimisation a la fois des procedes de structuration du substrat et des etapes de la croissance nous a permis de reduire d’un facteur 10 la densite de dislocations emergentes dans les couches de GaN semi polaire par rapport a l’etat de l’art sur substrat Si. La contrainte residuelle, en tension lorsque sur Si, est ici quasi nulle. La reduction de la surface de nucleation a egalement entraine l’elimination du phenomene de « melt-back etching », habituellement impossible a prevenir pour des couches semi-polaires epitaxiees sur des substrats Si. Nous montrerons egalement que l’utilisation de la technique dite «Aspect Ratio Trapping », mise en œuvre pour les materiaux de symetrie cubique est directement applicable au cas des nitrures (qui sont de symetrie hexagonale) semi-polaires lorsqu’epitaxies sur SOI, entrainant un autre facteur 10 dans la reduction de la densite de dislocations. Dans un dernier temps, nous avons utilise ces couches semi-polaires a basse densite de dislocations pour realiser des couches d’InGaN metamorphiques, c’est-a-dire relaxee elastiquement et dont les dislocations de misfit sont alignees le long de l’interface. La relaxation des contraintes permet une plus grande incorporation d’indium dans le but de realiser des diodes a plus grande longueur d’onde. Dans ce sens, nous demontrons la realisation de la premiere LED semi polaire faite sur des substrats SOI.