Non-Equilibrium SiGeSn Group IV Heterostructures and Nanowires for Integrated Mid-Infrared Photonics

Le développement des nouvelles générations de dispositifs électroniques devient de plus en plus limité par la chaleur générée par effet Joule dans les puces électroniques à haute densité. Des circuits photoniques intégrés sur silicium (Si) compatibles avec les procédés CMOS ont été proposés comme solution rentable pour réduire le réchauffement des dispositifs tout en améliorant leur performance globale. Cependant, les émetteurs à base de Si sont jusqu'à présent les composantes les plus difficiles à concevoir pour ces circuits photoniques intégrés. La principale raison est la bande interdite indirecte qui limite sévèrement l'efficacité de la luminescence du Si. Récemment l'incorporation de l'étain (Sn) dans des alliages silicium-germanium représente une nouvelle direction de recherche qui mènera à des semiconducteurs de groupe IV ayant une bande interdite directe. Les semiconducteurs obtenus Ge1-x-ySixSny sont des alliages ternaires du groupe IV compatibles avec la technologie CMOS, et peuvent avoir une bande interdite directe ajustable en fonction de la composition et de la contrainte. Ces propriétés ont généré un grand intérêt pour développer ces semiconducteurs et mieux comprendre leurs propriétés. Dans cette perspective, ce travail présente une étude détaillée de la structure de bande de l'alliage ternaire Ge1-x-ySixSny contraint et relaxé en utilisant une approche théorique fondée sur le modèle des liaisons fortes. Cette méthode est basée sur une évaluation précise des constantes de déformation de Ge, Si et α-Sn en utilisant une approche stochastique de Monte-Carlo ainsi qu'une méthode d'optimisation basée sur le gradient. De plus, une nouvelle approche d'évolution différentielle efficace est également développée pour reproduire avec précision les masses effectives expérimentales et les énergies de bandes interdites. Sur la base de ces approches, nous avons élucidé l'influence du désordre dans la structure crystalline, de la contrainte et de la composition sur l'énergie de bande interdite de Ge1-x-ySixSny. Quand 0 ≤x ≤0.4 et 0 ≤y ≤0.2, nous avons trouvé que la contrainte élastique réduit la concentration critique de Sn nécessaire pour obtenir un semiconducteur à bande interdite directe avec des énergies de bande interdite correspondantes inférieures à 0.76 eV. Cette limite supérieure diminue à 0.43 eV pour les alliages ternaires à bande interdite directe complètement relaxés. La transition obtenue vers la bande interdite directe en fonction de la composition est décrite par y> 0.605x + 0.077 et y> 1.364x + 0.107 respectivement pour les alliages contraints et complètement relaxés. Les effets de la contrainte, à une composition fixe, sur la transition de bande interdite indirecte à directe ont également été étudiés et discutés.

Abstract

Progress in electronic devices has been increasingly limited by the heat generated due to Joule effect in high density electronic chips. Silicon (Si) integrated photonic circuits compatible with CMOS processing has been proposed as a viable solution to reduce the heating of devices while improving their overall performance. However, Si-based emitters are, until now, the most difficult components to design for these integrated photonic circuits. The main reason is the indirect band gap which severely limits the efficiency of Si emission and absorption of light. Recently, the incorporation of tin (Sn) into silicon-germanium alloys has been proposed to overcome this fundamental limit. The obtained semiconductors are Ge1-x-ySixSny ternary alloys of Group IV elements compatible with CMOS technology, and may have a band gap that is adjustable depending on the composition and the strain. These properties have generated a great interest to grow these semiconductors and to better understand their optoelectronic and physical properties. With this perspective, this work outlines detailed investigations of the band structure of strained and relaxed Ge1-x-ySixSny ternary alloys using a semi-empirical second nearest neighbors tight binding method. This method is based on an accurate evaluation of the deformation potential constants of Ge, Si, and a-Sn using a stochastic Monte-Carlo approach as well as a gradient based optimization method. Moreover, a new and efficient differential evolution approach is also developed to accurately reproduce the experimental effective masses and band gaps. Based on this, the influence of lattice disorder, strain, and composition on Ge1-x-ySixSny band gap energy and its directness were elucidated. For 0 ≤x ≤0.4 and 0≤y≤0.2, tensile strain lowered the critical content of Sn needed to achieve a direct band gap semiconductor with the corresponding band gap energies below 0.76 eV. This upper limit decreases to 0.43eV for direct gap, fully relaxed ternary alloys. The obtained transition to direct band gap is given by y>0.605x+0.077 and y>1.364x+0.107 for epitaxially strained and fully relaxed alloys, respectively. The effects of strain, at a fixed composition, on band gap directness were also investigated and discussed. Next, building upon the acquired knowledge from the band structure calculation, the analysis was extended toward quantifying the electron and hole confinement in a Ge1-ySny/Ge core/shell nanowire system. For that purpose, the conduction and valance band offsets were evaluated.