La conductivité intrinsèque des semi-conducteurs Ge1−xSnx hors équilibre

Le germanium-étain (Ge1−xSnx), un alliage isovalent composé d’éléments du groupe IV, suscite un intérêt marqué en raison de son potentiel à couvrir une large gamme de longueurs d’onde dans l’infrarouge, provenant de la modulation de l’énergie de sa bande interdite par le contrôle de la concentration en étain (Sn) dans le germanium (Ge). En effet, l’incorporation de Sn réduit l’énergie de la bande interdite, permettant une extension de la longueur d’onde d’opération dans l’infrarouge, voire l’obtention d’un semi-conducteur à bande interdite directe, un atout stratégique pour les émetteurs de lumière. De plus, le Ge1−xSnx offre un avantage considérable en permettant une intégration monolithique sur le silicium (Si), le rendant compatible avec les procédés industriels CMOS utilisés pour les circuits intégrés (ICs). Ceci ouvre la voie au développement d’une plateforme photonique intégrée et compatible avec les ICs, permettant une cointégration de ces deux technologies sur une seule puce. Cependant, certains défis liés à la croissance du matériau doivent encore être relevés pour que le Ge1−xSnx concrétise son potentiel et qu’un transfert technologique se produise. En effet, l’obtention d’un matériau de haute qualité cristalline est essentielle afin de garantir un contrôle précis de ses propriétés optoélectroniques. Cependant, la croissance du Ge1−xSnx doit être effectuée dans des conditions hors équilibre, à basse température et avec un désaccordement de son paramètre de maille avec son substrat, tous des phénomènes favorisant la présence de défauts. Ces défauts peuvent être électriquement actifs, menant à une conductivité intrinsèque supérieure dans le semi-conducteur, qui réduit le contrôle des propriétés optoélectroniques et, par conséquent, mène à une diminution des performances des dispositifs fabriqués à partir de cet alliage. Une étude de cette conductivité intrinsèque, essentielle pour la réalisation de dispositifs reproductibles et performants, approfondit la compréhension de l’influence de la microstructure et des défauts, permettant ainsi d’optimiser les conditions de croissance du matériau. À ce jour, la majorité des études se sont concentrées sur des échantillons de Ge1−xSnx présentant une conductivité intrinsèque de type p. Cependant, une conductivité intrinsèque de type n est aussi envisageable, et une étude de cette dernière permet d’élargir les connaissances sur ce matériau afin de mieux prévoir son comportement. Dans cette perspective, la microstructure du Ge1−xSnx et sa conductivité intrinsèque sont étudiées à l’aide de diverses techniques de caractérisation optoélectronique pour évaluer leur influence sur les performances des dispositifs. Pour ce faire, deux échantillons présentant une conductivité intrinsèque opposée et des contraintes résiduelles différentes sont étudiés.

Abstract

Germanium-tin (Ge1−xSnx), a Group IV semiconductor, has drawn significant interest for its ability to cover a wide range of wavelengths in the infrared region of the electromagnetic spectrum. This extended coverage arises from its tunable bandgap, controlled by the accu-rate incorporation of tin (Sn) atoms into the germanium (Ge) lattice, which yields a cutoff wavelength deeper in the infrared. Moreover, Ge1−xSnx can transition from an indirect to a direct bandgap at a sufficient Sn concentration, thus proving highly valuable for light emit-ting devices. The Ge1−xSnx also offers a considerable advantage by its monolithic integration on silicon (Si), making it compatible with industrial CMOS processes used for integrated circuits (ICs). This paves the way for the development of an integrated photonics platform compatible with ICs, enabling these two technologies to be combined on a single chip. However, Ge1−xSnx faces several challenges related to its growth that must be addressed to fully harness its full potential and achieve a real-world impact on technology. In fact, obtaining a high crystalline quality material is essential to ensure a precise control over its optoelectronic properties. However, the growth of Ge1−xSnx requires non-equilibrium conditions, at relatively low temperature and with a large lattice mismatch with the growth substrate, all of which promote the formation of defects. These defects can be electrically active, leading to an increased intrinsic conductivity in the semiconductor, which reduces the control of the optoelectronic properties and consequently decreases the performance of Ge1−xSnx devices. The investigation of the intrinsic conductivity is crucial for achieving reproductible and high-performance devices and deepening our understanding of the impact of microstructure and defects, thus, ultimately facilitating the optimization of the material’s growth conditions. To date, most studies have focused on Ge1−xSnx exhibiting a p-type intrinsic conductivity. However, although rare, n-type intrinsic conductivity is also possible, and studying its effects broadens our knowledge of this material, enabling more accurate predictions of its behavior. In this work, the microstructure of Ge1−xSnx and its intrinsic conductivity are investigated using various optoelectronic characterization techniques to assess their impact on device per-formance. For this purpose, materials with opposite type of intrinsic conductivity and differ-ent residual strains are studied.