Non-Equilibrium Germanium-Tin Microstructures for Silicon-Compatible Mid-Infrared Photonics

Le développement rapide de l'informatique et des technologies de la communication a eu un impact majeur sur l'économie et la société en général. Il n'a jamais été aussi facile d'échanger un message ou de discuter avec un proche habitant de l'autre côté de la planète. De plus, les nouveaux outils technologiques bousculent l'organisation du travail et ceux-ci sont à l'origine de ce qu'on a appelé la quatrième révolution industrielle, ou l'industrie 4.0. Toutefois, la croissance exponentielle du trafic Internet est la source de sérieux enjeux au niveau énergétique. En effet, la demande d'électricité liée au secteur des technologies de l'information et de la communication représentera à elle seule 21 de la demande au niveau mondial en 2025. Pour remédier à ce problème et réduire l'impact environnemental des centres de données, la photonique intégrée sur silicium représente une solution prometteuse. En effet, contrairement au mouvement des électrons impliquant l'effet Joule, le déplacement de photons ne génère pas de chaleur. Or, le silicium qui est à la base de toute l'électronique moderne ne possède pas de bande interdite directe, le rendant inefficace pour absorber ou émettre de la lumière. En raison de leur bande interdite directe, les alliages semiconducteurs du groupe IV tels que le germanium-étain (GeSn) sont le sujet d'un vif intérêt scientifique pour relever le défi de l'intégration de circuits photoniques sur une plateforme de silicium. Le GeSn devient un semiconducteur à bande interdite directe pour des concentrations d'étain supérieures à 10 at., mais cette valeur est plus élevée lorsque le matériau est soumis à une contrainte en compression. Étant donné le rôle central que jouent la contrainte et la composition chimique au niveau de la structure de bande du GeSn, il importe de mesurer ces paramètres avec précision au niveau micrométrique. Pour cette raison, une étude de spectroscopie Raman détaillée a été menée. L'utilisation d'un laser avec une longueur d'onde de 633nm a permis d'identifier les modes Ge-Ge, Ge-Sn, "Sn-Sn like" ainsi qu'un mode supplémentaire activé par le désordre. En analysant quatorze échantillons crûs par dépôt chimique en phase vapeur et présentant une large gamme de concentrations et de contraintes, il a été possible d'isoler l'impact de ces deux paramètres sur l'énergie des modes de vibration Raman. Notamment, le nombre d'onde des quatre modes diminue pour des concentrations croissantes ou des contraintes en compression moindres. De plus, le mode Ge-Ge devient plus asymétrique pour des teneurs en étain plus élevées, alors que la contrainte n'a pas d'effet notable. Ces observations ont permis d'élaborer un modèle pour extraire la concentration en étain et la contrainte de couches ou de microstructures de GeSn à partir d'un unique spectre Raman.

Abstract

The relentless development of the information and communications technology (ICT) has had considerable and profoundly transformative economic and social impacts. The exponential growth of internet traffic now represents a major issue due to the immense power consumption and carbon footprint of data centers around the world. Indeed, it is estimated that this sector will be responsible for 21 of the global electrical demand in 2025. To overcome this important challenge and reduce the environmental burden of ICT, integrated silicon photonics has emerged as a key solution to decrease the power consumption of electronic devices, since the generation of heat due to the motion of electrons in wires doesn't apply to photons. However, silicon, which is at the core of all modern electronics, is not an effective material for light emission and absorption due to its indirect band gap. In this regard, group IV alloys such as germanium-tin (GeSn) have attracted a great deal of interest as direct band gap materials compatible with silicon platforms. An indirect to direct band gap transition occurs when Sn is incorporated in Ge at concentrations above 10 at. This threshold increases (drops) as the compressive (tensile) strain in the lattice increases. Given the fundamental role of strain and composition on the GeSn band structure, the reliable, non-destructive characterization of these two parameters down to the nanoscale is of paramount importance. With this perspective, a detailed Raman spectroscopy study was conducted using a 633nm laser, allowing a clear identification of the Ge-Ge, Ge-Sn, Sn-Sn like modes, as well as an additional disorder-activated mode. Samples with various degrees of strain and composition were investigated, thus enabling the decoupling of these two contributions in Raman spectra. It was found that the four modes all downshift as Sn content increases and compressive strain relaxes. The Ge-Ge mode also becomes more asymmetric for higher Sn contents, while strain has no noticeable impact on the mode symmetry. Based on these observations, a model is presented to extract Sn composition and strain for GeSn layers and structures from a single Raman spectrum.