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

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.