Croissance et caractérisation de l'alliage GaAs1-xBix par épitaxie par jets moléculaires

Parmi les semiconducteurs à bande interdite directe, l'alliage de bismuth dans le GaAs offre plusieurs propriétés intéressantes. D'abord, une réduction fortement non linéaire de l'énergie de la bande interdite avec la concentration de bismuth (approximée par un taux linéaire de - 0.88 meV / % Bi pour x 3.6 %) permet d'accéder à une large plage de longueurs d'onde dans la région des proches infrarouges (0.8 - 2.5 um) pour de faibles concentrations de bismuth (0 à 10.5 %), limitant ainsi les contraintes à apporter aux systèmes. Le GaAs1-xBix possède un fort couplage spin-orbite, faisant miroiter son utilisation au sein de dispositifs optoélectroniques exploitant le spin des porteurs de charge. Un autre avantage de cet alliage est que les niveaux énergétiques induits par l'inclusion de bismuth dans le GaAs sont situés dans la bande de valence, préservant ainsi la bonne mobilité électronique du GaAs. Ces propriétés font en sorte que l'alliage GaAs1-xBix a été utilisé au sein de dispositifs se basant sur des puits quantiques simples ou multiples. Cependant, la communauté scientifique peine à réaliser la croissance de cet alliage par épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy - MBE) avec une bonne qualité cristalline. Plusieurs phénomènes compliquent la croissance épitaxiale de cet alliage, le plus important étant la forte tendance du bismuth à ségréger vers la surface lors de la croissance comparativement aux alliages semiconducteurs III-V plus communs. Cette ségrégation force une diminution prononcée de la température du substrat lors de la croissance afin de permettre l'incorporation du bismuth dans la couche, mais les valeurs de températures de substrat requises peuvent faciliter l'incorporation d'antisites AsGa dans la couche ainsi que favoriser la création d'autres défauts. Une diminution du flux d'arsenic doit également accompagner la diminution de la température du substrat étant donné que les atomes d'arsenic et de bismuth compétitionnent pour les mêmes sites d'incorporation. De plus, contrairement à la croissance du GaAs, l'excès d'arsenic à la surface ne désorbe pas aux températures de substrat requises et la croissance de couches non stoechiométriques devient possible. Ainsi, une plage de paramètres de croissance restreinte permet la croissance de couches de GaAs1-xBix. Un compromis doit être fait sur ces paramètres de croissance, et il est difficile d'obtenir des échantillons de bonne qualité cristalline, tel que visible par les résultats de la littérature. Les propriétés tirées ou extrapolées de tels échantillons en sont également forcément affectées, ne reflétant pas celles d'un alliage idéal, mais plutôt celles d'échantillons avec une présence non négligeable de défauts et pour lesquels il n'a pas été confirmé que les sites d'incorporation des atomes de bismuth sont bels et bien substitutionnels.

Abstract

Bismuth alloying in gallium arsenide exhibits multiple properties that makes GaAs1-xBix an interesting compound amongst direct band-gap semiconductors. One of its most interesting property is the strong bowing of the band-gap energy (that can be approximated by a linear reduction of - 88 meV / % Bi for x 3.6 %), allowing its tuning for a large frequency range in the near-infrared region (0.8 = 2.5 um) while minimizing strain in the layer. This alloy also has a strong spin-orbit coupling, making it an ideal candidate for spin-based devices in optolectronics. It has also been shown that the energy levels induced by the incorporation of Bi in GaAs are located in the valence band, preserving the high electron mobility of gallium arsenide. GaAs1-xBix has already been integrated in some devices, mainly in the form of single of multiple quantum wells. Despite that, the growth of this alloy by molecular beam epitaxy (MBE) remains problematic and many of the results displayed by the scientific community show samples of suboptimal crystalline and structural quality. The growth challenges mainly arise due to the strong bismuth surface segregation. In order to force its incorporation into the bulk, the substrate temperature during growth has to be significantly reduced to a point where the creation of defects such as AsGa antisites becomes an issue. Another main difference with the growth of GaAs is that given the lower substrate temperatures required, the arsenic to gallium flux ratio also needs to be decreased to prevent the formation of nonstoechiometric layers as excess arsenic at the surface will not be desorbed. A compromise between the growth parameters and the quality of the samples thus has to be made. There is a lack of systematic and detailed analysis of the crystalline quality and the incorporation sites of the GaAs1-xBix samples present in the litterature. Combined with results hinting towards layers containing defects in notable concentrations, doubts have to be raised about the published properties of this ternary compound as they might not represent the behavior of an alloy with low defects and substitutionnal incorporation sites. The goal of this work is to better the understanding and control of the incorporation of bismuth atoms on substitutionnal sites in gallium arsenide. In order to achieve this objective, 300-nm-thick GaAs1-xBix layers with 0.25 x 5 % have been grown by molecular beam epitaxy at substrate temperatures of 248, 289 and 330 C. The good crystalline quality of the layers were confirmed through atomically flat surfaces wihtout islands by atomic force microscopy (AFM) and uniform atom distribution throughout the layer by Rutherford backscattering spectrometry (RBS).