5. Chapitre V ARTICLE: Développement d’une nouvelle approche d’épitaxie hybride pour la croissance
5.1. Avant-propos
Auteurs et affiliations :
Thierno Mamoudou Diallo, Alex Brice Poungoué Mbeunmi, Mohamed El-gahouchi, Mourad Jellite : Étudiants au doctorat à la faculté de génie de l’université de Sherbrooke, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2) - CNRS UMI-3463 Institut Interdisciplinaire d′Innovation Technologique (3IT), Université de Sherbrooke, 3000 Boulevard Université, Sherbrooke, J1K OA5 Québec, Canada;
Mohammad Reza Aziziyan, Roxana Arvinte: Stagiaires postdoctoraux à l’université de Sherbrooke, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2) - CNRS UMI-3463 Institut Interdisciplinaire d′Innovation Technologique (3IT), Université de Sherbrooke, 3000 Boulevard Université, Sherbrooke, J1K OA5 Québec, Canada;
Richard Arès, Simon Fafard, Abderraouf Boucherif : Professeurs à la faculté de génie de l’université de Sherbrooke, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2) - CNRS UMI- 3463 Institut Interdisciplinaire d′Innovation Technologique (3IT), Université de Sherbrooke, 3000 Boulevard Université, Sherbrooke, J1K OA5 Québec, Canada.
Date d’acceptation : 01 Avril 2019
État de l’acceptation : version finale publiée
Revue : Journal of Vacuum Science and Technology B (JVSTB) Référence : [167]
Note : cet article a été un choix de l’éditeur (Editor’s pick)
Titre français : Technique d’épitaxie hybride pour la croissance de matériaux de haute qualité :
cas des couches d’AlInAs et GaInAs sur des substrats d’InP.
Contribution au document : Ma contribution à cet article inclut la croissance épitaxiale des
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rédaction du manuscrit et l’ensemble des processus de soumissions et de révisions. Cet article contribue à la thèse en développant une nouvelle approche d’épitaxie hybride pour la croissance de matériaux de haute qualité (faible dopage résiduel, bonnes propriétés cristallines et optiques). Cette nouvelle approche, combinant à la fois des sources solides et gazeuses, a été développée compte tenu de la difficulté de croitre certains matériaux sensibles tels que AlInAs et GaInAs avec les techniques standards. D’autre part, même si la méthode VdWE est adaptée pour la croissance des matériaux à fort désaccord de paramètre de maille, nous avons besoin d’une technique d’épitaxie permettant d’obtenir des matériaux avec de bonnes propriétés optiques et électriques. L’approche hybride a été également développée dans cette optique. Nous avons démontré pour la 1ère fois, qu’en combinant des sources solides et gazeuses comme précurseurs du groupe III, on peut obtenir des matériaux III-V d’excellente qualité. Les cas d’AlInAs et GaInAs sur substrats d’InP ont été présentés dans ce papier.
Résumé français :
La qualité et les propriétés des films épitaxiales sont fortement liées au type de réacteur et à la nature des sources des précurseurs. Ces paramètres peuvent imposer des limites telles que le dopage résiduel, la netteté de l’interface, la formation d’amas, la séparation de phase et l’homogénéité des couches. Nous avons mis en œuvre une technique d’épitaxie hybride qui utilise, simultanément, des sources solides et gazeuses comme précurseurs du groupe III. Le système combine le rendement élevé et la versatilité des sources gazeuses ainsi que la haute pureté des sources solides. En utilisant cette technique, nous avons démontré avec succès la croissance épitaxiale des couches Al0.48In0.52As et Ga0.47In0.53As sur InP (001) avec des propriétés intéressantes, comparées aux couches épitaxiales crues par des techniques plus standard (CBE, MOCVD, MBE). Pour la croissance d’AlInAs, TriMethylIndium (TMIn) et aluminium solide (Kcell) ont été utilisés, respectivement, comme les précurseurs d’In et d’Al. Dans le cas de GaInAs, TriEthylGallium (TEGa) et indium solide (Kcell) ont été utilisés respectivement comme les précurseurs de Ga et d‘In. L’arsine (AsH3) thermiquement craquée a été utilisée comme le précurseur d’As (groupe V) pour les deux alliages. Les couches épitaxiales d’AlInAs et de GaInAs crues à une température de 500 °C ont montré des surfaces homogènes avec une rugosité RMS de 0,2 nm et 1 nm, respectivement. Des désaccords de maille de 134 ppm pour AlInAs, et de -96 ppm pour GaInAs, ont été déterminés à partir des mesures de
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diffraction des rayons X à haute résolution (HR-XRD). Les diffractogrammes X ont montré un grand nombre d’oscillations de Pendellösung indiquant la haute qualité cristalline des couches. Une largeur à mis hauteur (FWHM) de 18,5 arcs a été obtenue pour les couches de GaInAs, alors que la cartographie HR-XRD d’un wafer de 2 pouces a confirmé une excellente homogénéité du désaccord de maille (un écart type de 0,026%). Des dopages résiduels aussi bas que 3 × 1015 cm-3 pour les couches AlInAs, et 1 × 1015 cm-3, pour celles de GaInAs ont été obtenus. L’analyse des spectres de photoluminescence (PL) à 20 K a résulté à des FWHM de 8 meV pour AlInAs, et 9,7 meV pour GaInAs, démontrant une très bonne qualité optique des couches épitaxiales. En outre, nous avons étudié les effets de la température de croissance et de la pression d’AsH3 sur les propriétés des couches épitaxiales. Nous avons également discuté des conditions optimales pour la croissance des couches de haute qualité d’Al0.48In0.52As et de Ga0.47In0.53As sur InP (001) en utilisant cette technique d’épitaxie hybride.
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Hybrid Epitaxy Technique for the Growth of High-Quality AlInAs
and GaInAs Layers on InP Substrates
Thierno M. Diallo a, b, †, Alex B. Poungoué M. a, b, †, M. El-Gahouchi a, b, M. Jellite a, c, R. Arvinte a, c, M. R. Aziziyan a, b, R. Arès a, c, S. Fafard a, b, A. Boucherif a, c, ⁎
a Interdisciplinary Institute for Technological Innovation (3IT), CNRS UMI-3463, Université de Sherbrooke, 3000 boul. de l’Université, Sherbrooke, Québec J1K 0A5, Canada
b Department of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering, Université de Sherbrooke, 2500 boul. de l’Université, Sherbrooke, Québec, J1K 2R1, Canada
c Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Université de Sherbrooke, 2500 boul. de l’Université, Sherbrooke, Québec, J1K 2R1, Canada
† Theses authors contributed equally to this work.
⁎ Corresponding author Email: Abderraouf.boucherif@usherbrooke.ca
The quality and properties of epitaxial films are strongly determined by the reactor type and the precursor source phase. Such parameters can impose limitations in terms of background doping, interface sharpness, clustering, phase separation and homogeneity. We have implemented a hybrid epitaxy technique that employs, simultaneously, vapor and solid sources as group III precursors. The system combines the high throughput and the versatility of gas sources as well as the high purity of solid sources. Using this technique, we successfully demonstrated epitaxial growth of Al0.48In0.52As and Ga0.47In0.53As layers on Fe-doped semi-insulating InP (001) substrates with interesting properties, compared to the epilayers grown by more standard techniques (CBE, MOCVD, MBE). For AlInAs growth, TriMethylIndium (TMIn) and solid Aluminum were used as In and Al precursors, respectively. In the case of GaInAs, TriEthylGallium (TEGa) and solid Indium were used respectively as Ga and In precursors. Thermally cracked arsine (AsH3) was used as As (group V) precursor for both alloys. The AlInAs and GaInAs epilayers grown at temperature of 500 °C exhibited featureless surfaces with RMS roughness of 0.2 nm and 1 nm, respectively. Lattice mismatch is of 134 ppm, for AlInAs, and -96 ppm, for GaInAs, were determined from HR-XRD patterns and showed a large number of Pendellӧsung fringes, indicating a high crystalline quality. A FWHM of 18.5 arcs was obtained for GaInAs epilayers, while HR-XRD mapping of a full 2-inch wafer confirmed a viable lattice mismatch homogeneity (standard deviation of 0.026%) for as-grown layers. We observed room-temperature background doping values as low as 3 × 1015 cm-3, for AlInAs, and 1 × 1015 cm-3, for GaInAs. Analysis of the PL spectra at 20 K showed FWHM of 8 meV, for
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AlInAs, and 9.7 meV, for GaInAs, demonstrating a very good optical quality of the epilayers. In addition, we have investigated the effects of the growth temperature and of the arsine pressure on epilayers properties. We also discuss the optimum conditions for the growth of high quality Al0.48In0.52As and Ga0.47In0.53As layers on InP (001) substrates using this hybrid epitaxy technique.
Keywords: Hybrid epitaxy, AlInAs, GaInAs, High-resolution X-ray diffraction,
Photoluminescence, AFM, growth temperature