Tensile-strained and highly n-doped Germanium for optoelectronic applications

par Mohammad ali Zrir

Thèse de doctorat en Matière condensée et Nanosciences

Sous la direction de Vinh Le Thanh.

Le président du jury était Carmelo Pirri.

Le jury était composé de Nicolas Bertru.

Les rapporteurs étaient Shinji Nozaki, Stefano Chiussi.


  • Résumé

    Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié une approche permettant de réaliser les composants d'émission de la lumière basés sur les couches epitaxiées de Ge contraint en tension et fortement dopé de type n. Afin de créer de contrainte en tension dans les films épitaxiés de Ge, nous avons investi deux méthodes : faire croître du Ge sur InGaAs ayant un paramètre de maille plus grand que celui de Ge, et faire croître du Ge sur Si, en prenant l'avantage du coefficient de dilatation thermique du Ge, qui est deux fois plus grand que celui du Si. Concernant la croissance de Ge sur les substrats Si, nous avons étudié deux orientations cristallines, <001> and <111>, afin de pouvoir comparer la valeur de contrainte en tension obtenue et aussi la densité des dislocations émergeantes. Le dopage de type n dans le Ge a été effectué en utilisant le phosphore et l'antimoine. Nous avons montré que quand le dopage est effectué à des températures relativement basses et suivi d'un recuit thermique rapide, de concentration d'électrons électriquement activés de ~ 4x10^19 cm-3, a pu être obtenue. Cette valeur représente l'un des meilleurs résultats expérimentalement obtenus jusqu'à présent. Des mesures de recombinaison radiative par spectroscopie de photoluminescence effectuées à température ambiante ont mis en évidence une augmentation de l'émission du gap direct de Ge d'environ 150 fois. Finalement, nous avons étudié les effets de la barrière de diffusion sur l'efficacité de dopage pendant les recuits thermiques. Une comparaison sur l'efficacité de trois barrières de diffusion, Al2O3, HfO2 and Si3N4, sera présentée et discutée.


  • Résumé

    During my thesis, we studied approaches to achieve light-emitting devices based on tensile strained and highly n-doped Ge epitaxial films. In order to create an elastic tensile strain in the epitaxial Ge films, we have investigated two methods: The epitaxial growth of Ge on InGaAs buffer layers that have a larger lattice constant, and the epitaxial growth of Ge on Si, by which we take benefit of the thermal expansion coefficient of Ge which is twice greater than that of Si. Concerning the growth of Ge on Si substrates, we have studied two crystalline orientations, <001> and <111>, in order to compare the values of the accumulated tensile strain and also the density of threading dislocations. The n-type doping in Ge was performed using a co-doping technique with phosphorus (P2 molecule) and antimony (Sb). We demonstrated that the dopants sticking coefficient leads to dopant incorporation in the Ge film larger than their solid solubility, which generally increases with increasing substrate temperature. As a result, when the doping is carried out at relatively low temperatures and followed by rapid thermal annealing, electrically activated electron concentration of 4x1019 cm-3 was demonstrated. This value is one of the best results obtained experimentally so far. The radiative recombination, at RT, measured by photoluminescence spectroscopy showed an increase in the direct gap emission of Ge of about 150 times. Finally, we studied the effects of diffusion barrier on the doping concentration during the thermal annealing. A comparison between the advantages of three diffusion barriers, Al2O3, HfO2 and Si3N4, will be presented and discussed.


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