Low temperature epitaxy of Si, Ge, and Sn based alloys

par Joris Aubin

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Jean-Michel Hartmann.

Soutenue le 03-10-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Joël Cibert.

Le jury était composé de Dan Buca.

Les rapporteurs étaient Frédéric Gardes, Isabelle Sagnes.

  • Titre traduit

    Epitaxie basse température d'empilement à base de Si, Ge et Sn


  • Résumé

    Les matériaux (Si)GeSn sont très prometteurs pour les composants optiques sur puce fonctionnant dans le Moyen Infra-Rouge (MIR). Lors de cette thèse de doctorat, j’ai étudié le Dépôt Chimique en Phase Vapeur d’alliages GeSn. L’épitaxie basse température de Ge pur, de Ge dopé phosphore et d’alliages GeSi a tout d’abord été explorée. L’utilisation du digermane (Ge2H6) au lieu du germane (GeH4) nous a permis d’augmenter considérablement la vitesse de croissance du germanium à des températures en dessous de425 °C. Des concentrations très importantes en atome de P électriquement actifs ont été atteintes à 350 °C, 100 Torr en chimie Ge2H6 + PH3 (au maximum 7.5x1019 cm-3). Nous avons par la suite combiné le Ge2H6 avec le disilane (Si2H6) ou le dichlorosilane (SiH2Cl2) afin d’étudier la cinétique de croissance du GeSi à 475 °C, 100 Torr. Des concentrations de Ge définitivement plus élevées (77-82%) et une meilleure qualité de surface ont été obtenues avec le SiH2Cl2. Finalement, la croissance basse température d’alliages GeSn a été étudiée dans notre bâti d’épitaxie industriel 200 mm. Le digermane (Ge2H6) et le tétrachlorure d'étain (SnCl4) ont été utilisés pour explorer la cinétique de croissance et les mécanismes de relaxation des contraintes du GeSn. Une large gamme de concentrations en Sn, i.e. 6-16%, a été sondée et ces points de fonctionnement utilisés pour épitaxier des couches épaisses de GeSn partiellement relaxées. Nous avons ainsi mis en évidence l’intérêt d’utiliser une structure dite en escalier, en termes de qualité cristalline et de morphologie de surface. Un tel empilement, avec 16% de Sn dans sa partie supérieure, a montré une structure de bande directe et a conduit à une émission laser (dans des micro-disques) à une longueur d’onde de 3.1 µm. Ce laser a fonctionné jusqu’à 180 K et a un seuil de 377 kW/cm² à 25K.


  • Résumé

    (Si)GeSn is very promising for use in Mid Infra-Red (MIR) group-IV optical components on chip. During this PhD, I have studied the Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition of GeSn alloys. The very low temperature epitaxy of pure Ge, heavily phosphorous doped Ge and Ge-rich SiGe alloys have first of all been investigated. Using digermane (Ge2H6) instead of germane (GeH4) enabled us to dramatically increase the Ge growth rate at temperatures 425 °C and lower. Very high electrically active P concentrations were obtained at 350 °C, 100 Torr with a Ge2H6 + PH3 chemistry (at most 7.5x1019 cm-3). We have then combined digermane with disilane (Si2H6) or dichlorosilane (SiH2Cl2) in order to study the GeSi growth kinetics at 475 °C, 100 Torr. Definitely higher Ge concentrations (77-82%) and smoother surfaces have been obtained with SiH2Cl2. We have then explored the low temperature epitaxy of high Sn content GeSn alloys in our 200 mm industrial RP-CVD tool. Digermane (Ge2H6) and tin tetrachloride (SnCl4) were used to investigate the GeSn growth kinetics and strain relaxation mechanisms. Large range of Sn concentrations, i.e. in the 6-16% range, was probed and data points used to grow thick, partially relaxed GeSn layers. The benefits of using Step-Graded structures, in terms of crystalline quality and surface morphology, was conclusively demonstrated for thick GeSn layers with high Sn contents. Such a stack, with 16% of Sn in the top part, was direct bandgap and led to a laser operation (in micro-disks) up to 180 K at an emission wavelength of 3.1 µm and with a lasing threshold of 377 kW/cm² at 25K.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. LLSH Collections numériques.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Collections numériques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.