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Ingénierie de contrainte et stabilité des hétérostructures épitaxiales de Ge1-xSnx

Jérôme Nicolas

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Alloys based on group IV elements of t have been attracting a great deal of interest to address both the staggering growth in information and telecommunications systems and the need for monolithic infrared detectors for Si-integrated sensing and imaging technologies. Indeed, unlike SiGe alloys, SiGeSn alloys incorporating more than 9 at.% of Sn have a direct energy band gap. This new class of materials could prove to be a key element in the cointegration of photonics and electronics on a single Si platform as well as in the development of scalable and cost-effective infrared photodetectors and imagers. However, the epitaxial layers of group IV alloys on Si incorporating a high Sn concentration show a high level of mechanical strain resulting from the large lattice mismatch as well as phase separation caused by the Sn supersaturation, when exceeding the miscibility limit of 1 at.% of Sn in pure Ge. This work investigates the mechanisms responsible for phase separation in GeSn layers during the epitaxial growth, as well as the factors shaping the stability and dynamics of phase separation. Furthermore, we evaluate the microstructural properties of GeSn layers stackings and their potential for strain engineering toward innovative low-dimensional systems. CVD-grown GeSn epitaxial layers were studies using transmission electron microscopy and atom probe tomography to investigate the structure and chemistry of the GeSn layers. It was found that the dislocations play a role to trigger Sn segregation and its accelerated migration toward the surface by diffusion via the dislocations' core. This phenomenon makes phase separation possible and quite fast at temperatures as low as the ones used for the growth (400 C). In addition, the onset of phase separation observed at the surface during post-growth thermal annealing was investigated in real time using photoemission electron microscopy. It is confirmed that phase separation in layers whose strain has been relaxed via the nucleation of a dense network of dislocations takes place at a lower temperature compared to highly strained samples. The stability is also reduced as the concentration of Sn in the alloys increases. The microstructure of thick strain-engineered GeSn layers is investigated by transmission electron microscopy and X-ray diffraction. The experimental data treatment is carried out using pre-existing models adapted to the specificities of GeSn epitaxial layers. The layers are found to be composed of crystallites measuring between 300 and 900 nm, rotated by an angle between 0.04° and 0.1° in-plane and out-of-plane relative to the substrate. These buffer layers enabled the fabrication of heterostructures comprising Ge quantum wells exhibiting high tensile strains up to 1.65%.

Résumé

Les alliages des éléments du groupe IV du tableau périodique ont connu un fort regain d'intérêt dans le contexte de la croissance exponentielle du volume de données par les systèmes d'information et de communications. En effet, les alliages de SiGeSn incorporant plus de 9 at.% de Sn possèdent une bande d'énergie directe qui faisait défaut aux semiconducteurs Si and Ge – les matériaux de base dans les technologies d'information. Cette nouvelle classe de matériaux pourrait se révéler être un élément clé de la cointégration de la photonique et de l'électronique sur une même plateforme de Si ainsi que du développement de photodétecteurs capables de servir les technologies de la communication optique et de l'imagerie infrarouge à bas coût. Cependant, les couches épitaxiales des alliages du groupe IV déposées sur Si et possédant une concentration de Sn élevée sont soumise à une importante contrainte mécanique résultant du fort désaccord de maille et sont sujets à la séparation de phase engendrée par la supersaturation en Sn, au-delà de la limite de miscibilité de 1 at.% dans le Ge pur. Cette thèse porte sur l'investigation des mécanismes responsables de la séparation de phase des couches de GeSn lors de la croissance épitaxiale, ainsi que des facteurs qui influencent la stabilité du matériau et la dynamique de la séparation de phase. De plus, nous évaluons les propriétés microstructurales des empilements de couches de GeSn et leur potentiel pour l'ingénierie de contraintes. Les couches épitaxiales de GeSn fabriquées par CVD sont analysés par microscopie électronique à transmission et par sonde atomique tomographique pour étudier la structure et la composition chimique des couches de GeSn. Il est révélé que les dislocations jouent un rôle dans l'initiation de la ségrégation du Sn et de sa migration accélérée vers la surface par diffusion via le cœur des dislocations. Ce phénomène rend la séparation de phase possible et relativement rapide à des températures aussi basses que celles utilisées lors de la croissance du GeSn (400 C). De plus, l'apparition de la séparation de phase à la surface pendant un recuit thermique est étudiée en temps réel à l'aide de la microscopie de photoémission des électrons. Il est confirmé que la séparation de phase dans les couches dont la contrainte est relaxée via la nucléation d'un réseau dense de dislocations a lieu à une température plus basse que les couches peu relaxées. La stabilité est également réduite lorsque la concentration de Sn dans les alliages augmente. La microstructure des empilements de couches épaisses de GeSn est étudiée par microscopie électronique à transmission et par diffraction des rayons X.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Oussama Moutanabbir
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10349/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:50
Last Modified: 23 Nov 2022 03:29
Cite in APA 7: Nicolas, J. (2022). Ingénierie de contrainte et stabilité des hétérostructures épitaxiales de Ge1-xSnx [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10349/

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