Thermal engineering in an epitaxial nanostructured germanium semiconductor

par Yanqing Liu

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Olivier Bourgeois.

Soutenue le 16-11-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Hadji.

Le jury était composé de Nathalie Trannoy, Séverine Gomès, Dimitri Taïnoff.

Les rapporteurs étaient David Lacroix, Clivia M. Sotomayor Torres.

  • Titre traduit

    Ingénierie thermique dans un semi-conducteur nanostructure par épitaxie à base de germanium


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur les propriétés de transport thermique liées aux phonons dans un nouveau matériau nanostructuré constituée de couches minces de Ge:Mn de type "electron crystal - phonon glass". Ce matériau est élaboré par épitaxie par jets moléculaire au CEA/INAC à Grenoble sur des substrats spécifiques « Germanium-on-insulator (GOI) ». Il consiste en une matrice de germanium possédant une qualité cristalline parfaite dans laquelle sont inclues une importante concentration de nano-inclusions de Ge3Mn5 de forme quasi-sphérique. Révélé par les caractérisations de TEM, les nano-inclusions ont une distribution de diamètre variant de 5 à 50 nm. Il est par ailleurs possible de jouer sur les paramètres de croissance afin de modifier la dispersion de taille des inclusions ainsi que leur concentration. Cette possibilité nous a donc permit d'étudier l'influence des nano-inclusions sur le transport de chaleur de façon exhaustive autour de la température ambiante.Pour ce faire, une expérience de mesure de conductivité thermique « 3 omega » dédiée à ces échantillons et extrêmement sensible, a été fabriquée à l'institut Néel. Cette expérience nous a permis de mesurer les variations de conductivité thermique induites par la modification de la distribution en taille des nano-inclusions de Ge:Mn dans des couches minces d'une centaine de nanomètre d'épaisseur avec une erreur réduite d'environ 12%. Il a été montré que le transport thermique dans ces couches minces pouvait être réduit d'un facteur 20 comparé au germanium massif puisque des valeurs de conductivité thermique de l'ordre de 3 W.m-1.K-1 ont été mesurées. Ces valeurs ont été confirmées par des expériences SThM au CETHIL de Lyon. Les valeurs obtenues sont mêmes en dessous de la limite d'alliage pour le SiGe, ce qui n'est pas explicable par les théories actuelles. Ces faibles conductivités thermiques ainsi que la grande mobilité des porteurs dans le germanium font de ces matériaux à base de GeMn de bons candidats pour la thermoélectricité. Des simulations numériques ont été utilisées afin de mieux comprendre cette diminution spectaculaire de la conductivité thermique et d'interpréter les données expérimentales.


  • Résumé

    This PhD project is an exhaustive study on the characterization of the thermal properties of a new type semiconducting materials based on germanium. It is a germanium matrix containing nano-inclusions with the objective of creating a perfect "electron crystal - phonon glass" material. The materials are thin films of an epitaxial germanium matrix embedded with Ge:Mn nano-inclusions, grown on a Germanium-on-insulator (GOI) substrate in CEA/INAC in Grenoble. From TEM images of the thin films it has been demonstrated that both the matrix and inclusions are monocrystalline, and the nano-inclusions have generally a spherical form with a diameter distribution ranging from 5 to 50 nm. Depending on the growth parameters in molecular beam epitaxy, i.e. the Mn concentration and the annealing temperature, the geometries, mean diameters and diameter distributions of nano-inclusions in Ge:Mn can be varied. With these unique structural features, these Ge:Mn thin films are one of the most interesting models for the study of the influence of nano-inclusions on thermal transport in a crystalline matrix.The characterization of the thermal properties of the material have been done using two advanced techniques: the 3-omega method in Institut Néel, and the Scanning Thermal Microscopy (SThM) in CETHIL (Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon) in Lyon. A highly sensitive differential 3-omega measurement setup has been developed in the work, which permits precise (error~12%) measurements of electrical conductive thin films having low thermal conductivities. Dramatically reduced thermal conductivities have been revealed for Ge:Mn thin films containing different Mn% and having different inclusion geometries at room temperature, compared to crystalline bulk Ge. A minimum value of 3.3 Wm-1K-1 was found for Ge:Mn thin film containing 10% Mn, beating the “alloy limit” of thermal conductivity set by SiGe alloys at room temperature (6-12 Wm-1K-1). The measurement results of SThM confirmed the low thermal conductivities for all Ge:Mn/GOI samples at room temperature. Numerical simulations using different models have been performed to try to interpret the experimental results and to understand the mechanisms of the influence of the nano-inclusions on the phonon transport in semiconductor materials.


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