Spectroscopie optique de nouveaux matériaux à base de (Ga,In)(N

N° d’ordre : 01 ISAL 0055
Année 2001
THESE
présentée
devant L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
FORMATION DOCTORALE : Dispositifs de l’Electronique Intégrée
ECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique
par
Laurent GRENOUILLET
Ingénieur INSA de Lyon
SPECTROSCOPIE OPTIQUE
DE NOUVEAUX MATERIAUX A BASE DE (Ga,In)(N,As)
POUR LA REALISATION DE COMPOSANTS A CAVITE VERTICALE
EMETTANT A 1,3 µµm SUR SUBSTRAT GaAs
Soutenue le 20 Novembre 2001 devant la Commission d’Examen
MM. C. BRU-CHEVALLIER Chargée de recherche CNRS Directrice de thèse
C. FONTAINE Directeur de recherche CNRS Rapporteur
P. GILET Ingénieur de recherche CEA Examinateur
G. GUILLOT Professeur Examinateur
J.C. HARMAND Directeur de recherche CNRS Examinateur
H. MARIETTE Directeur de recherche CNRS Rapporteur
E. TOURNIE Chargé de recherche CNRS Examinateur
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de LYON

A François, l’absent qui nous manque

REMERCIEMENTS
Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire de Physique de la Matière (LPM)
de l’INSA de Lyon, ainsi qu’au Laboratoire Infrarouge du LETI/CEA Grenoble.
Je remercie très sincèrement Monsieur Gérard Guillot, directeur du LPM, de
l’intérêt qu’il a porté à mon travail, et d’avoir présidé le jury de soutenance. J’ai par
ailleurs beaucoup apprécié le dynamisme qu’il insuffle au laboratoire.
Mes remerciements vont également à Madame Catherine Bru-Chevallier, qui a
encadré ce travail. Sa disponibilité, ses compétences scientifiques, ses précieux conseils
et les discussions ouvertes que nous avons eues ont permis de réaliser ce travail dans un
climat très favorable.
Je suis très honoré que Madame Chantal Fontaine ait accepté de juger ce travail
en tant que rapporteur. Sa vision globale du sujet a été pour moi très bénéfique.
J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur Henri Mariette pour son
rapport et l’intérêt qu’il a montré pour ce travail. Lors des quelques échanges, toujours
fructueux, que nous avons eus pendant ma thèse, j’ai apprécié ses compétences en
physique, et ses idées foisonnantes dans le domaine des alliages semiconducteurs.
J’ai grandement apprécié la présence au sein de mon jury de Messieurs Eric
Tournié et Jean-Christophe Harmand. Leur connaissance des nitrures à faible bande
interdite, notamment en terme de croissance, a été pour moi très enrichissante.
Un merci très chaleureux à Philippe Gilet pour ces trois années d’amicale
collaboration. Au delà des structures d’études qu’il m’a fournies, j’ai apprécié sa bonne
humeur, sa constante envie d’avancer, et ses qualités scientifiques. J’ai été touché par la
confiance qu’il m’a accordée.
Je remercie Francis Bertrand et Pierre Vaudaine de m’avoir accueilli dans de si
bonnes conditions au sein du Département Optronique / Laboratoire Infrarouge du CEA
Grenoble, ainsi qu’André Chenevas-Paule, qui est à l’origine de ce sujet de thèse. Un
grand merci à l’ensemble des personnes du LIR, notamment les « métallurgistes », pour
leur bonne humeur quotidienne. Je voudrais citer plus particulièrement Alain Million pour
ses compétences, son sérieux, et sa relecture critique et rapide de mon manuscrit
(malgré son emploi du temps surchargé), Philippe Duvaut pour sa sympathie, sa maîtrise
de la machine d’épitaxie qui m’a permis d’avoir du matériau de bonne qualité, Philippe
Ballet pour son aide extrêmement précieuse en simulation et sa disponibilité à répondre
à mes questions, Véronique Rouchon pour l’institution de la traditionnelle pause café du
matin, Jacqueline Bablet pour les discussions intarissables que nous avons eues, et aussi

Régis Hamelin, Astrid Bain, Charlie Cigna, Bernard Aventurier, Jacques Baylet, Nicolas
Dunoyer pour leurs incursions récréatives dans mon bureau.
Un merci spécial à François Mongellaz pour son humour et sa joie de vivre. Il
embellissait avec brio notre quotidien. Son décès prématuré nous a tous beaucoup
affecté.
Je remercie également Guy Rolland et Michel Burdin pour leurs caractérisations
par diffraction de rayons X, Cyril Vannuffel pour ses clichés de microscopie
électronique en transmission, Gilbert Gaude pour le polissage des plaques, Claudine
Petitprez pour la découpe des plaques, Philippe Grosse pour les fructueuses discussions
et Fabien Filhol pour son schéma du VCSEL.
Du côté du LPM, je salue l’ensemble des permanents (secrétaires, techniciens,
enseignants-chercheurs, chercheurs) pour leur disponibilité. Je pense particulièrement
à Stéphanie Salager, Claude Plantier, Martine Rojas, Manuel Bérenguer, Philippe Girard,
Jean-Marie Bluet, Régis Orobtchouk, Georges Bremond. J’ai pu bénéficier au cours de
ma thèse des compétences multiples des membres de l’équipe. J’en profite pour
remercier Taha Benyattou pour son esprit critique lors des présentations orales, et pour
ses nombreuses idées de manips.
Je tiens à remercier l’ensemble des thésards pour l’ambiance complice, débridée,
et conviviale qui a plané au LPM tout au long de ma thèse : les « vieux » ex-thésards :
Agnès, Ronan, José, Karim, Anis, Paolo, Muriel … les « jeunes » futurs docteurs :
Matthieu, Bassem, Sébastien, Aldrice, Ilham, Philippe … Je termine par le noyau dur,
l’équipe de choc, les adeptes de la pause café pas toujours intelligible et assurément
hilare : Stéphanie Périchon, Christophe Busseret (le multitache de talent), Nicolas
Baboux (le looser cohérent), Stéphane Fanget (le voyageur impénitent), Lilian Masarotto
(Red Lyons assurément), Nabil Sghaier (animateur de génie, yyaaaaaarr !) et Yohan
Désières (fondateur du LDB !). Encore merci pour ces petits moments qu’on n’oublie pas.
Pour finir, un petit clin d’œil à ma famille pour ses encouragements, et à mes amis
pour leur soutien et leur joie de vivre !

TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE 6
CHAPITRE I :
LES NITRURES A FAIBLE BANDE INTERDITE
POUR L’EMISSION DE LUMIERE A 1,3 µm
SUR SUBSTRAT GaAs
9
I.1 Situation du sujet : les interconnexions optiques 11
I.1.1 Croissance d’Internet 11
I.1.2 Augmentation de la fréquence des circuits intégrés 11
I.2 Les VCSELs à 1,3 µm 13
I.2.1 Fonctionnement et avantages des VCSELs 13
I.2.2 Pourquoi 1,3 µm ? 15
I.2.2.1 Avantages des émetteurs à 1,3 µm 15
I.2.2.1 Problèmes technologiques des VCSELs à 1,3 µm 17
I.2.3 Les différentes approches à 1,3 µm 18
I.2.3.1 Approche sur substrat InP 18
I.2.3.2 Approche hybride 18
I.2.3.3 Approche monolithique sur substrat GaAs 19
I.2.3.3.a Puits quantiques de GaAsSb/GaAs 19
I.2.3.3.b Boîtes quantiques d’In(Ga)As/GaAs 19
I.2.3.3.c Puits quantiques de GaInNAs/GaAs 20
I.2.3.3.d Synthèse 20
I.3 Les nitrures d’éléments III-V pour l’émission à 1,3 µm 21
I.3.1 L’alliage ternaire GaNxAs1-x 21
I.3.2 L’alliage quaternaire Ga1-yInyNxAs1-x 24
I.4 Conclusion du Chapitre I 25
I.5 Références du Chapitre I 26