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Optical Behavior of Group-IV Semiconductors in Relation to Atomic Interfacial Disorder, Quantum Confinement, and Fano Resonance

Anis Attiaoui

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Group-IV semiconductors are prevalent in our day-to-day activities. Silicon-germanium (SiGe) binary alloys in particular are at the forefront of transistor technology, driven by relentless node reduction. The current 5 nm technology node depends on two elements: heterostructures and interfaces. These two components are interconnected, as one cannot obtain the latter without the former. Heterostructures have been a rich platform to engineer a variety of low-dimensional structures and devices. In such systems, the nature of the interfaces is a crucial factor that ultimately defines their basic properties and performance. Additionally, the precise knowledge of the buried interface roughness also becomes increasingly critical in silicon (Si) gate-all-around designs introduced for the 5 − 7 nm technology nodes and beyond. These architectures are based on SiGe/Si superlattices (SLs). Despite their importance, direct assessment of interfaces still relies heavily on destructive and time-consuming microscopic approaches, such as transmission electron microscopy. Optical characterization of interface abruptness is not up to par with microscopic techniques. During the 1990s, low-temperature photoluminescence spectroscopy surged as the go-to technique to investigate interfaces and is nowadays well-established. Nevertheless, room temperature spectroscopic approaches are still conspicuously missing in the literature. Through use of SiGe/Si superlattices with different periodicity, we developed a room temperature, metrology technique to evaluate the quality of the interfaces. The technique is based on spectroscopic ellipsometry (SE), as well as rigorous semi-empirical theoretical modeling to quantify the effect of the interfaces on the electronic structure. Interface broadening induces electronic state localization inside the SiGe bandgap. This localization promotes interband optical transitions, which are detected by measuring the absorption coefficient. This approach, simplistic in its experimental implementation, raises fundamental questions related to the physics behind state localization in group-IV heterostructures. All the expertise gained from these SE measurements were employed to analyze a new class of group-IV heterostructures, based on Ge and germanium-tin (GeSn) semiconductors. Tensile strained Ge/GeSn quantum wells were grown with chemical vapor deposition, and optically characterized with SE to study the dynamics between interfacial broadening and quantum confinement. The investigations revealed that SE can indeed gauge quantum confinement. These salient findings shed a new light on the interplay between tensile strain and light-hole (LH) state confinement. In fact, a sophisticated methodology to examine quantum confinement is developed in multilayered heterostructures, a class of structures renowned for its inaccessibility to SE due to the intricacies of the associated optical modeling.

Résumé

Les semi-conducteurs du groupe IV sont omniprésents dans nos activités quotidiennes. Les alliages binaires silicium-germanium (SiGe) en particulier sont à la pointe de la technologie des transistors, grâce à une réduction constante du nombre de nœuds. Le procédé technologique actuel en microélectronique de 5 nm dépend de deux éléments: les hétérostructures et les interfaces. Ces deux configurations sont fortement interconnectées. Les hétérostructures forment une plateforme riche pour concevoir une variété de structures et de dispositifs à faible dimension. Dans de tels systèmes, la nature des interfaces est un facteur crucial qui définit leurs propriétés et leurs performances de base. En outre, la connaissance précise de la rugosité de l’interface est également devenue de plus en plus critique dans les conceptions des transistors introduites pour les procédés technologiques de 5 à 7 nm et au-delà. Ces architectures sont basées sur des super-réseaux SiGe/Si. Cependant, malgré leur importance, l’évaluation directe des interfaces dépend encore largement d’approches microscopiques sophistiquées, retardant l’épitaxie, telles que la tomographie à sonde atomique et la microscopie à force atomique. La caractérisation optique de la rugosité des interfaces n’est pas à la hauteur des techniques microscopiques. Dans les années 1990, la spectroscopie de photoluminescence à basse température s’est imposée comme la technique de référence pour l’étude des interfaces. Néanmoins, les approches spectroscopiques à température ambiante manquent toujours dans la littérature. Par conséquent, en utilisant des super-réseaux SiGe/Si avec différentes périodicités, nous avons développé une technique de métrologie à température ambiante, pour évaluer la qualité des interfaces. Cette technique est basée sur l’ellipsométrie spectroscopique (SE), ainsi que sur la modélisation théorique semi-empirique pour quantifier l’effet des interfaces sur la structure électronique. On a constaté que l’élargissement de l’interface induit une localisation des états électroniques à l’intérieur de la bande interdite de SiGe. Cette localisation favorise les transitions optiques interbandes, qui sont détectées en mesurant le coefficient d’absorption. Cette approche, simpliste dans sa mise en œuvre expérimentale, a soulevé des questions fondamentales liées à la physique des états localisés dans les hétérostructures du groupe IV. Toute l’expertise acquise lors de ces mesures ellipsometrique a été exploitée pour analyser une nouvelle classe d’hétérostructures basée sur les semi-conducteurs Ge et germanium-étain (GeSn). Des puits quantiques de Ge/GeSn déformés par traction ont été développés par dépôt chimique en phase vapeur et caractérisés optiquement par SE pour étudier l’interaction entre le confinement quantique et l’élargissement interfacial.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Oussama Moutanabbir
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10795/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 20 Jun 2023 10:45
Last Modified: 13 Apr 2024 05:44
Cite in APA 7: Attiaoui, A. (2023). Optical Behavior of Group-IV Semiconductors in Relation to Atomic Interfacial Disorder, Quantum Confinement, and Fano Resonance [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10795/

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