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

Patrick Lavoie

Ph.D. thesis (2018)

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Abstract

Bismuth alloying in gallium arsenide exhibits multiple properties that makes GaAs1-xBix aninteresting compound amongst direct band-gap semiconductors. One of its most interestingproperty is the strong bowing of the band-gap energy (that can be approximated by a linearreduction of - 88 meV / % Bi for x 3.6 %), allowing its tuning for a large frequency rangein the near-infrared region (0.8 = 2.5 um) while minimizing strain in the layer. This alloyalso has a strong spin-orbit coupling, making it an ideal candidate for spin-based devices inoptolectronics. It has also been shown that the energy levels induced by the incorporation ofBi in GaAs are located in the valence band, preserving the high electron mobility of galliumarsenide.GaAs1-xBix has already been integrated in some devices, mainly in the form of single ofmultiple 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 communityshow samples of suboptimal crystalline and structural quality. The growth challenges mainlyarise due to the strong bismuth surface segregation. In order to force its incorporationinto the bulk, the substrate temperature during growth has to be significantly reduced to apoint where the creation of defects such as AsGa antisites becomes an issue. Another maindifference 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 nonstoechiometriclayers as excess arsenic at the surface will not be desorbed. A compromisebetween the growth parameters and the quality of the samples thus has to be made. Thereis a lack of systematic and detailed analysis of the crystalline quality and the incorporationsites of the GaAs1-xBix samples present in the litterature. Combined with results hintingtowards layers containing defects in notable concentrations, doubts have to be raised aboutthe published properties of this ternary compound as they might not represent the behaviorof an alloy with low defects and substitutionnal incorporation sites.The goal of this work is to better the understanding and control of the incorporation ofbismuth 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 beamepitaxy at substrate temperatures of 248, 289 and 330 C.The good crystalline quality of the layers were confirmed through atomically flat surfaceswihtout islands by atomic force microscopy (AFM) and uniform atom distribution throughoutthe layer by Rutherford backscattering spectrometry (RBS).

Résumé

Parmi les semiconducteurs à bande interdite directe, l'alliage de bismuth dans le GaAs offreplusieurs propriétés intéressantes. D'abord, une réduction fortement non linéaire de l'énergiede 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 dansla région des proches infrarouges (0.8 - 2.5 um) pour de faibles concentrations de bismuth (0 à10.5 %), limitant ainsi les contraintes à apporter aux systèmes. Le GaAs1-xBix possède un fortcouplage spin-orbite, faisant miroiter son utilisation au sein de dispositifs optoélectroniquesexploitant le spin des porteurs de charge. Un autre avantage de cet alliage est que les niveauxénergétiques induits par l'inclusion de bismuth dans le GaAs sont situés dans la bande devalence, 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 sebasant sur des puits quantiques simples ou multiples. Cependant, la communauté scientifiquepeine à réaliser la croissance de cet alliage par épitaxie par jets moléculaires (MolecularBeam Epitaxy - MBE) avec une bonne qualité cristalline. Plusieurs phénomènes compliquentla croissance épitaxiale de cet alliage, le plus important étant la forte tendance du bismuth àségréger vers la surface lors de la croissance comparativement aux alliages semiconducteursIII-V plus communs. Cette ségrégation force une diminution prononcée de la température dusubstrat 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'antisitesAsGa dans la couche ainsi que favoriser la création d'autres défauts. Une diminutiondu flux d'arsenic doit également accompagner la diminution de la température du substratétant donné que les atomes d'arsenic et de bismuth compétitionnent pour les mêmes sitesd'incorporation. De plus, contrairement à la croissance du GaAs, l'excès d'arsenic à la surfacene désorbe pas aux températures de substrat requises et la croissance de couches nonstoechiométriques devient possible.Ainsi, une plage de paramètres de croissance restreinte permet la croissance de couches deGaAs1-xBix. Un compromis doit être fait sur ces paramètres de croissance, et il est difficiled'obtenir des échantillons de bonne qualité cristalline, tel que visible par les résultats dela littérature. Les propriétés tirées ou extrapolées de tels échantillons en sont égalementforcément affectées, ne reflétant pas celles d'un alliage idéal, mais plutôt celles d'échantillonsavec une présence non négligeable de défauts et pour lesquels il n'a pas été confirmé que lessites d'incorporation des atomes de bismuth sont bels et bien substitutionnels.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Patrick Desjardins, Sébastien Francoeur
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3704/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 22 Feb 2019 14:45
Last Modified: 13 Nov 2022 14:18
Cite in APA 7: Lavoie, P. (2018). Croissance et caractérisation de l'alliage GaAs1-xBix par épitaxie par jets moléculaires [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/3704/

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