Towards Ultra-Low Specific Contact Resistance On High Sn-Content GeSn For Mid-Infrared Optoelectronics

La photonique intégrée à base de silicium (Si), fonctionnant dans le domaine infrarouge IR-B (c-à-d 1,4 à 3 μm) et au-delà, constitue une plateforme importante pour le développement de dispositifs photoniques robustes, abordables et fortement modulables. Dans ce cadre, les semi-conducteurs du groupe-IV à base de germanium-étain (GeSn) ont récemment fait l'objet de plusieurs études. Premièrement, car ils offrent une bande interdite directe qui est accordable dans ce domaine de longueurs d'onde. Deuxièmement, pour leur compatibilité avec la plateforme des semi-conducteurs complémentaires à l'oxyde de métal (CMOS), ainsi permettant leur intégration dans les procédés industriels bien établis de l'électronique en Si, afin de produire des dispositifs électroniques et photoniques sur la même puce. Il peut s'agir d'une révolution dans la fabrication de tels dispositifs, et avoir un impact important sur un large spectre d'applications existantes et futures, telle que la vision infrarouge à cout réduit pour usage militaire ou civil tel que dans les voitures autonomes, la détection des gaz, la spectroscopie et les capteurs intégrés pour les laboratoire-sur-puce. Le succès de la fabrication des dispositifs basés sur GeSn repose sur le développement des jonctions de base, ou des composantes constituant leurs régions actives et passives. D'ailleurs, l'une des jonctions passives les plus importantes de tout dispositif à base de semi-conducteurs est la jonction métal-semi-conducteur (M-S). Ainsi, une solution de traitement adaptée, fournissant des contacts M-S hautement performants est cruciale. Les conditions de traitement doivent également être compatibles avec les limites intrinsèques du matériau, et la nature du contact, car les deux affectent négativement la performance des contacts. De même, la solution doit être pratique, abordable, compatible avec le CMOS, et adaptables aux différentes applications. Dans cette perspective, cette thèse est un aboutissement des efforts réalisés pour développer des étapes fondamentales de traitement des contacts M-GeSn, répondant aux conditions mentionnées ci-dessus, tout en maintenant une grande intégrité des dispositifs pendant le traitement. La première partie de la thèse se concentre sur l'implémentation du recuit thermique au laser ultra rapide, comme solution potentielle de traitement à faible énergie pour les contacts métalliques sur GeSn. Le but est de fonctionnaliser les contacts sans endommager les couches de GeSn en dessous. Les résultats montrent le potentiel d'application de cette technique sur des dispositifs futurs.

Abstract

Silicon-based integrated photonics, operating in the short-wave infrared at the 1.4–3 μm range and beyond, provides a platform for the development of robust, affordable, and highly scalable photonic devices. For this purpose, germanium-tin (GeSn)-based group-IV semiconductors have been extensively studied as they offer a tunable direct bandgap in this infrared range. Moreover, their compatibility with the Si complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) platform allows for their seamless integration with the well-established Si electronics industry, to produce electronic and photonic devices on the same chip. This could be a revolution in the fabrication of such devices, and can profoundly impact a wide spectrum of existing and future applications, such as affordable infrared vision for military and consumer market including self-driving cars, efficient gas sensing and imaging, and integrated lab-on-a-chip sensors. The success in fabricating GeSn-based devices relies on the development of the essential junctions, or building blocks, constituting their active and passive regions. The metal-semiconductor (M-S) junction is among one of the most critical passive junctions in semiconductor-based devices. Thus, a processing solution tailored to achieve high-performance M-S contacts is crucial. The processing conditions need to be compatible with the intrinsic limitations imposed by the material and the contact properties. Moreover, processing these devices must be practical, affordable, CMOS-compatible, and adaptable to different applications. With this perspective, this thesis is a culmination of the efforts realized to develop key M-GeSn processing steps that meet the conditions mentioned above, while maintaining high device integrity during processing. The first part of this thesis focuses on investigating ultrafast laser thermal annealing as a potential low thermal budget processing solution for M-GeSn contacts. The goal is to functionalize the contacts without damaging the GeSn layers underneath. Results show the possibility of applying this technique on future devices, as the specific contact resistance in Nickel contacts was lowered by a factor of 100 as a result of forming a Ni-based GeSn alloy, while buried GeSn layers preserved their quality upon annealing at certain conditions. The second part concentrates on understanding the in situ doping process during the growth of relaxed GeSn. Both p-type and n-type doping were studied for this purpose.