Incorporation du bismuth dans GaAs - Compréhension et maîtrise par couplage de mesures en temps réel de courbure et diffraction électronique - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Access content directly
Theses Year : 2019

Bismuth incormoration into GaAs - Understanding and conrol by real time coupling curvature measurement and electronic diffraction

Incorporation du bismuth dans GaAs - Compréhension et maîtrise par couplage de mesures en temps réel de courbure et diffraction électronique

Abstract

Research has been needed in large infrared devices, especially around 1.3µm in GaAs field. GaAsBi and derived alloys offer a large band structure engineering, make them a good candidate for 1eV solar cells, 1.3µm photocathodes or thermoelectric materials and spintronic. Though, the epitaxy of those III-V alloys is a challenge. In fact, they have a high lattice mismatch and bismuth incorporation is proved highly dependant of the growth conditions. First, we present the context of our study : we detailed their required properties for applications, and place ourseves amoung literature. We also describe the exploited techniques. Precise growth parameters can be selected by molecular beam epitaxy and they determine the structual characteristics of our material. We also have an original technique of real time coupling curvature measurement exploited with synchronized electronic diffraction. Bismuth incorporation study was made with those informations, obtained by varying growth conditions. Ex-situ techniques as X-Rays diffraction, Raman spectroscopy, Hall effect and Transmission Electronic Microscopy were also used to confort our original results. Then, we explained the different experimental studies we made on growth and caracterisation of those alloys. We pointed out a change in surface reconstruction during the growth, from the (1x3) reconstruction to the (2x1). We started to study the bismuth incorporation for the 2 surface reconstructions during growth, varying growth conditions : substrate temperature and elements fluxes. We exhibit a higher incorporation with the (1x3) reconstruction, and increasing for higher V/III flux ratio. Those conditions gave us growing GaAsBi layers with 2 different bismuth concentration. Then, we demonstrated the thermal activation of surface reconstruction transition, with the apparition of a surface stress, increasing with V/III ratios. Thirdly, we also validate our results on bismuth content by comparing their values with X ray diffraction, Rutherford Backscattering and transmission electron microscopy. Thank to his work, we obtained a comprehensive knowledge of bismuth incorporation in GaAs, and we developed it to consider further perspective for GaAsBi.
De nombreuses recherches sont menées pour étendre la gamme des dispositifs dans l’infrarouge, autour de 1,3µm dans le cas de la filière GaAs. Les alliages GaAsBi et dérivés offrent dans cette perspective une ingénierie très riche de la structure de bande, les rendant très prometteurs pour des applications telles que les cellules solaires à 1eV, les photocathodes à 1,3µm ou encore les matériaux thermoélectriques ou la spintronique. Cependant, l’épitaxie de ces alliages III-V représente un défi. Ces alliages GaAsBi sont des alliages III-V à fort désaccord de maille et l’incorporation du bismuth s’avère très sensible aux conditions utilisées. Dans une partie introductive, nous situons le contexte de cette étude ; nous détaillons les propriétés qui les rendent prometteurs pour les applications, et nous les positionnons par rapport à l’état de l’art. Nous décrivons aussi les techniques que nous avons exploitées. L’épitaxie par jets moléculaires permet de sélectionner les paramètres de croissance qui déterminent les caractéristiques structurales du matériau élaboré. De plus, nous disposons in situ d’une technique originale de mesure optique de la courbure de l’échantillon contraint que nous avons exploitée en la synchronisant avec la diffraction électronique pour étudier l’incorporation du bismuth dans la matrice GaAs quand varient les différents paramètre! s de croissance. Les techniques ex situ de diffraction de rayons X, spectroscopie Raman, effet Hall et microscopie électronique en transmission ont également été utilisées pour conforter les résultats originaux obtenus. Dans une seconde partie, nous expliquons les différentes études expérimentales que nous avons menées sur la croissance et la caractérisation in situ de ces alliages. Nous avons mis en évidence que la reconstruction de surface change pendant leur épitaxie, passant d’une reconstruction (1x3) à (2x1). Nous avons tout d’abord étudié l’incorporation du bismuth pour les deux reconstructions de surface en croissance, et ceci en faisant varier les paramètres de croissance : température du substrat, et les flux des différents éléments. Nous avons montré que l’incorporation est plus forte en régime de reconstruction (1x3), que pour (2x1), et ce d’autant plus que le rapport de flux V/III augmente, créant ainsi des couches GaAsBi à deux compositions de Bi. Dans une seconde étape, nous avons montré que la transition de reconstruction est activée thermiquement, et qu’une contrainte de surface apparait et augmente avec le rapport V/III. Nous démontrons enfin quelle est l’influence du flux de bismuth et de la vitesse de croissance. Dans une troisième partie, nous validons les résultats obtenus sur le contenu en bismuth des alliages épitaxiés en comparant leurs valeurs avec celles obtenues par diffraction de rayons X, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford et microscopie électronique à transmission. Ces études ont permis d’obtenir une vue compréhensive de l’incorporation du bismuth dans la matrice GaAs que nous développons en conclusion avant d’envisager les perspectives ouvertes aux alliages GaAsBi.
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Clara Cornille. Incorporation du bismuth dans GaAs - Compréhension et maîtrise par couplage de mesures en temps réel de courbure et diffraction électronique. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier), 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02907961⟩
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