Leveraging HVPE for III-V/Si Integration and Mid-Infrared Photonic Device Fabrication

This work covers the implementation of highly specialized epitaxial techniques enabled by the near-equilibrium hydride vapor-phase epitaxy growth process in III-V/Si integration for Si-based tandem solar cells and photoelectrochemical reactions, quasi phase matching GaP structures on GaAs substrates, and regrowth of InP:Fe on quantum cascade lasing structures. III-V/Si integration is an important topic in several fields of research with a significant one being solar energy harvesting. Combining the economic benefits of Si with the advantageous and flexible optical and electronic properties of III-V’s represents significant improvements in both photovoltaic and photoelectrochemical applications. GaAsP is a promising candidate for Si-based tandem solar cells, but it has seen much less research compared to other III-V compounds. Establishing a cost-efficient method for integrating GaAsP on Si could pave the way for significant improvements in photovoltaics. However, there are many technological challenges with this integration, some of which are addressed in this work using advanced epitaxial techniques. A fabrication process for full 2” wafer GaAsP/Si templates is developed. This is based on the epitaxial lateral overgrowth technique to reduce misfit dislocations, which utilizes the inherent selectivity and high growth rate of hydride vapor phase epitaxy. Extensive work is also done to establish control of the crystalline quality and composition of planar and laterally grown GaAsP on both GaAs and Si. Planar GaAsP/Si solar cell structures are grown based on the optimization work, and a process for fabricating devices out of these is developed. Work on III-V/Si integration is also done towards photoelectrochemical applications; p-GaP is grown on Si by direct heteroepitaxy, which requires a specialized technique called vapor mixing epitaxy. This utilizes a specialized precursor injection scheme in order to allow the growth to take place at a much lower temperature than during conventional growth. Both GaAs and GaP are grown directly on Si using the low-temperature process, investigating the impact of substrate orientation and temperature, before a more extensive investigation is carried out for Zn-doped p-type GaP on Si. The p-GaP/Si growth is also used along with p-GaP/GaAs and p-GaP/GaP reference samples to perform hydrogen evolution and CO2 reduction reactions. Selective area growth of GaP and GaAs directly on SiO2/Si templates using the low-temperature process is also demonstrated. Despite the many applications in communication and security, there are relatively few direct sources of coherent radiation in the mid-infrared and terahertz spectral ranges. One method of accessing these frequencies is the down-conversion of more well-established sources using non-linear optical processes. Quasi phase matched semiconductor structures are a promising pathway for this, and orientation-patterned GaP/GaAs has been identified as one of the top candidates. However, the fabrication of these structures puts high demands on the epitaxial processes used, which are investigated in this work. Additionally, wafer-bonded GaAs templates have seen less previous research than templates fabricated using molecular beam epitaxy. A homoepitaxial selective area growth study of GaP is performed as a pre-study to investigate how the growth-rate anisotropy can be controlled using the growth conditions. Subsequently, two methods for maintaining vertical domain boundaries during heteroepitaxy of orientation patterned GaP on wafer bonded GaAs templates are established. One method is to use two sets of growth conditions where the first set forms tilted facets on the top of both domains, followed by a second set of conditions with higher growth rate. The second method is to suppress the formation of misfit dislocations by increasing the GaCl flow, which reduces the lateral growth rate enhancement caused by such defects. The impact of GaCl flow on misfit dislocation formation is studied in more detail, confirming the effectiveness of this approach. Initial results of an on-going investigation are also presented, where growth on different types of GaAs templates are studied using temporally resolved growth, showing the evolution of the growth profile. Another source for coherent mid-infrared and terahertz radiation that has seen extensive research and development is the quantum cascade laser, which utilizes inter-subband transitions in carefully engineered semiconductor multi-quantum well structures. This approach offers both high output power and wide frequency tunability, but inherently generates more heat compared to typical inter-band lasing transitions. This is most often addressed by employing buried heterostructures that maximizes the thermal conduction away from the lasing region. The regrowth of InP:Fe on InGaAs/AlGaAs structures has been demonstrated to be very effective, despite the unconventional geometric requirements put on the epitaxial process. In this work, InP:Fe regrowth on a novel hexagonally close-packed photonic crystal structure is studied. This structure is designed to enable power scaling of terahertz radiation emission while maintaining a single optical mode. The impact on thermal management is investigated by thermal dissipation simulations using a finite element method. It is found that, as also seen on well-established ridge structures, the thermal dissipation is greatly enhanced by the regrowth of InP:Fe compared to other structural materials with poorer thermal properties. Regrowth of InP:Fe on a photonic crystal quantum cascade laser sample is presented, utilizing the high growth rate anisotropy inherent to hydride vapor phase epitaxy to achieve full planarization around the 12 µm tall structure in 13 min of growth. Additionally, regrowth is also performed on a more conventional ridge-style laser structure, utilizing a tapered design to increase confinement and increase output power. While tapered designs have been investigated previously, this utilizes a novel design that emits from the tapered end of the ridge in order to mitigate heating effects. The L-I-V characteristics and beam stability of these structures were analyzed during room-temperature quasi-continuous lasing, achieving 1.4 watt peak output power. This work covers a number of advanced epitaxial methods and their usage for applications in different fields based on leveraging the strengths or mitigating the drawbacks of hydride vapor phase epitaxy. The economic benefits of the technique in combination with the unique solutions provided by its key features demonstrates potential for several applications based on III-V/Si integration and mid-infrared radiation generation.Den här avhandlingen beskriver avancerade epitaxiella tekniker med hydridbaserad ångfasepitaxi: en tillväxtprocess som tar plats nära kemisk jämvikt. Teknikerna användes för integrering av III-V/Si – integrering för kiselbaserade tandemsolceller och fotoelektrokemiska reaktioner, odling av kvasifasmatchade GaP-strukturer på GaAs och återodling av InP:Fe på kvantkaskadlasrande strukturer. Integrering av III-V – material på kisel är ett viktigt ämne inom flera fält, däribland utnyttjande av solenergi. Kombinationen av de ekonomiska fördelarna hos kisel med de fördelaktiga och flexibla optoelektroniska egenskaperna hos III-V – material representerar avsevärda framsteg för applikationer inom både solcellsteknik och fotoelektrokemi. GaAsP är en bra kandidat för kiselbaserade tandemsolceller, men har inte undersökts lika utförligt som andra III-V material. Genom att etablera en kostnadseffektiv integrationsteknik för GaAsP på kisel skulle viktiga framsteg inom solcellsteknik möjliggöras. Däremot finns det många stora teknologiska utmaningar för sådan integration, några av vilka adresseras i det här arbetet genom implementering av specialiserade epitaxiella tekniker. En tillverkningsprocess för 2” – skivor av GaAsP/Si har utvecklats. Den baseras på lateral epitaxiell täckning för att filtrera bort gittermissmatchdislokationer, vilket utnyttjar den karaktäristiska selektiviteten och höga tillväxthastigheten hos hydridbaserad ångfasepitaxi. Metoder för att kontrollera sammansättningen och kristallkvalitén hos både vertikalt och lateralt odlad GaAsP/Si och GaAsP/GaAs har också undersökts utförligt. Solcellsstrukturer har odlats baserat på undersökningen och ett processflöde för att tillverka solceller has designats och etablerats. III-V/Si integration har också undersökts för fotoelektrokemiska applikationer där p-GaP har odlats direkt på kisel. Detta kräver en specialiserad teknik, kallad för ångblandningsepitaxi, där gasinjiceringen är specialanpassad för att låta odlingen ta plats vid mycket lägre temperatur än vid konventionell odling. Både GaAs och GaP odlades på kisel med denna teknik där substratorienteringens och temperaturens inverkan undersöktes, följt av en mer utförlig studie av p-GaP/Si. p-GaP/Si och p-GaP/GaAs prover användes också för solljusdriven vattenspjälkning och koldioxidreduktion. Slutligen demonstrerades även ytselektiv epitaxi av GaAs och GaP direkt på mönstrade SiO2/Si substrat via ångblandningsepitaxi. Trots flertalet användningsområden inom kommunikation och säkerhet finns det relativt få direkta källor för mid-infraröd- och terahertzstrålning. Ett sätt att nå dessa våglängder är genom att nedkonvertera mer väletablerade källor via ickelinjära optiska processer. Kvasifasmatchande halvledarstrukturer har visat sig vara en effektiv strategi för de ändamålen, där riktningsstrukturerade GaP/GaAs-strukturer har identifierats som en av de bästa kandidaterna. Tillverkningen av dessa strukturer ställer stora krav på de epitaxiella processerna som används och dessa har undersökts i detta arbete. En förstudie av ytselektiv homoepitaxi av GaP utfördes för att undersöka hur kontroll över tillväxtanisotropi kan uppnås med hjälp av odlingsparametrar. Därefter etablerades två metoder för att upprätthålla räta domängränser under odling riktningsstrukturerad GaP/GaAs. En metod är att använda två separata uppsättningar av odlingsparametrar för att först forma sneda facetter på domäntopparna som upprätthåller domängränsernas räthet, följt av andra odlingsparametrar med högre tillväxthastighet. Den andra metoden är att förhindra bildandet av snedgående dislokationer genom att öka GaCl-flödet under odling, vilket minskar den laterala tillväxten som sådana dislokationer orsakar. En ytterligare undersökning om GaCl-flödets inverkan på dislokationsbildning utfördes också för att bekräfta metoden. Tidiga resultat från en pågående studie presenteras också, där tidsupplöst odling på olika typer av riktningsstrukturerade GaAs-substrat utförs för att visa hur domängränsprofilen ändras under odling. En annan väl utforskad källa till koherent mid-infraröd- och terahertzstrålning är kvantkaskadlasern, som utnyttjar övergångar mellan subband i noggrant utformade periodiska halvledarkvantbrunnar. Den här processen tillåter hög effekt och justerbar våglängd, men leder också till högre värmeutveckling jämfört med konventionella laserövergångar. Det här motverkas typiskt genom att utnyttja begravda heterostrukturer för att maximera värmeledningen bort ifrån det lasrande området. Att återodla InP:Fe på InGaAs/AlGaAs – strukturer har visat sig vara väldigt effektivt trots de okonventionella geometriska kraven som ställs på epitaxiprocessen. I det här arbetet har InP:Fe återodlats på pelare av kvantkaskadlaserstrukturer arrangerade i ett hexagonalt mönster till en fotonisk kristall. Simuleringsarbete med en finita-element-metod utfördes för att undersöka effekten av återodlingen på värmehanteringen. Resultaten visar att, precis som för mer väletablerade linjära strukturer, InP:Fe förbättrar värmeledningen markant jämfört med andra material med sämre termiska egenskaper. Återodling av InP:Fe på en kvantkaskadlaser med fotonikkristallstruktur utfördes, där den höga tillväxthastigheten och tillväxtanisotropin ledde till komplett planarisering av de 12 µm höga pelarna på 13 min. Slutligen utfördes också återodling av InP:Fe på en mer konventionell kvantkaskadlaser men med en avsmalnande design för att öka tillståndstätheten och ge högre effekt. Dessa lasrars L-I-V egenskaper och strålstabilitet undersöktes under kvasi-kontinuerligt lasrande vid rumstemperatur. De avancerade epitaxiella tekniker och deras användning inom olika områden som presenteras bygger alla på att utnyttja fördelarna och motverka begränsningarna hos hydridbaserad ångfasepitaxi. De ekonomiska fördelarna kombinerat med dess unika egenskaper demonstrerar stor potential för applikationer inom integration av III-V på kisel samt för källor till mid-infraröd- och terahertzstrålning