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

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.