Corrélation luminescence/défauts étendus dans les structures à puits quantique InGaAs épitaxiées sélectivement sur substrats Si patternés pour applications FinFETs

par Joyce Roque

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de François Bertin.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (laboratoire) .


  • Résumé

    Les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés remarquables de mobilité électronique et d'émission optique. La croissance de ces matériaux par MOCVD sur substrat silicium (001) en 300 mm offre l'opportunité de réaliser les composants bas coût, et d'apporter de nouvelles fonctionnalités à la microélectronique silicium par l'intégration de composants électroniques et optiques. De ce fait, la croissance de semi-conducteurs III-V sur silicium a connu un engouement important au cours de ces dernières années. De telles intégrations monolithiques impliquent de développer des couches III-V de très bonne qualité épitaxiées sur silicium. Actuellement, le principal enjeu réside dans la réduction des densités de défauts cristallins tels que les fautes d'empilement, parois d'antiphase et dislocations. L'impact de ces défauts structuraux sur ces propriétés reste encore aujourd'hui principalement étudié à l'échelle micrométrique (effet Hall, photoluminescence,…) ne présentant pas de résolution spatiale suffisante permettant pas de dissocier les différents paramètres physico-chimiques. Ces développements nécessitent en conséquence des moyens adaptés de caractérisation pour contrôler et connaitre les propriétés physico-chimique de ces couches III-V épitaxiée sur Si. Le travail de cette thèse porte sur le développement d'une méthode destinée à corréler spatialement à l'échelle nanométrique les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques de couches III-As crues par MOCVD sur Si (001) en 300mm. Elle a permis d'étudier des puits quantiques d'InGaAs épitaxiés sur buffer GaAs et sur substrat Si avec pour méthode de réduction des défauts émergeants l'utilisation de couches tampons à base de GaAs et la croissance localisée entre murs d'oxydes (aspect ratio trapping (ART)). L'étude s'est appuyée sur deux techniques de caractérisation: La cathodoluminescence (CL) permettant d'observer spatialement sur l'échantillon bulk l'énergie d'émission et l'intensité correspondantes d'un puits quantique d'InGaAs, et la microscopie électronique en transmission (STEM/TEM) en lame mince donnant des informations quantitatives sur la morphologie de la structure (épaisseurs des couches, position des défauts, stoechiométrie…). Nous avons développé une méthode qui permet de corréler spatialement les résultats de ces deux techniques de caractérisation. La méthode consiste en plusieurs marquages spécifiques réalisés par faisceau d'électron pour repérer et extraire précisément les zones d'intérêt observés en cathodoluminescence. Des mesures de déformation (N-PED) sur lame mince ont également été réalisées. Cette méthode de caractérisation corrélée a permis de mettre en évidence des modifications des propriétés physico-chimique de puits quantiques d'InGaAs à l'échelle nanométrique directement liées aux conditions de croissance, et à la présence de défauts émergents.

  • Titre traduit

    Correlation of luminescence/defects extended in InGaAs quantum well structures selectively epitaxied on Si patterned substrates for FinFET applications


  • Résumé

    III-V semiconductors have remarkable properties of electronic mobility and optical emission. Their growth by MOCVD on 300 mm (001) silicon substrate offers the opportunity of manufacturing at low cost and to get new functionalities in microelectronic devices for electronic components and optical emitters. Thereby III-V growth on silicon has been a huge success in recent years. Monolithic integrations imply to develop very good quality of III-V layers epitaxied on silicon. That is why currently, the major issue is to reduce crystalline defect density such as stacking faults, antiphase boundaries and dislocations. Structural defects which impact these properties are still mainly studied at micrometric scale (Hall effect, photoluminescence,…) but they not have sufficient spatial resolution to dissociate the different physicochemical parameters. Consequently, these developments require adapted characterizations to control and to obtain physicochemical properties of III-V epitaxied layers on Si. The aim of this thesis is to develop a method to spatially correlate at nanoscale optical properties and morphological characteristics of III-As layers grown by MOCVD on 300 mm (001) Si. In the frame of this thesis, this method allowed to study InGaAs quantum wells (QW) epitaxied on GaAs buffer and on Si substrate with defect density reduction method the use of GaAs buffer layers and patterned growth (aspect ratio trapping (ART)). The study is based on two characterization techniques : cathodoluminescence (CL) which allows to spatially observe on bulk sample InGaAs QW energy emission and intensity, and transmission electronic microscopy (STEM/TEM) of thin lamella which give quantitative information on the morphology (layer thicknesses, defect positions, stoichiometry,…). The method developed allows to spatially correlate results of these two techniques. It is to realize several specific marks made by electron beam to localize and precisely extract interesting areas observed by CL. Strain measurements (N-PED) on TEM lamella is realized too. This correlated characterization method has highlighted physicochemical property modifications of InGaAs QW at nanoscale directly related to growth conditions and to threading dislocations presence.