Croissance épitaxiale d'hétérostructures antimoniées sur substrats fortement désadaptés en maille pour applications aux transistors à effet de champ

Epitaxial growth of Sb-based heterostructures on highly mismatched substrates for field effect transistor applications

• Auteur / Autrice : Salim El Kazzi
• Direction : Xavier Wallart, Ludovic Desplanque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologie, acoustique et télécommunication
• Date : Soutenance le 13/11/2012
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Silicium -- Substrats

Relaxation des contraintes

Antimoine -- Composés

Composés semiconducteurs

Hétérostructures

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

Systèmes autonomes communicants

Résumé

La nécessité de diminuer la consommation à la fois des systèmes autonomes communicants à haute fréquence et des circuits CMOS implique l’utilisation de transistors fonctionnant sous faible tension d’alimentation. Les performances des composants à base de silicium se dégradant rapidement dans ce régime de fonctionnement, les semiconducteurs III-V à faible bande interdite sont aujourd’hui envisagés comme une alternative. Parmi ceux-ci, l’InAs paraît le plus prometteur. Dans ce contexte, ce travail a pour but d’ouvrir la voie à l'utilisation d’un canal à base d'InAs pour les systèmes analogiques et numériques. Plus précisément, nous étudions la croissance par épitaxie par jets moléculaires des hétérostructures InAs/AlSb sur des substrats (001) GaAs et GaP par l’intermédiaire d'une couche tampon Ga(Al)Sb. La microscopie à force atomique, la microscopie électronique en transmission et la diffraction d’électrons de haute énergie sont utilisées afin de mettre en évidence l’influence critique des conditions de croissance sur la nucléation des antimoniures. Cette étude sert de base à l’optimisation de canaux InAs à haute mobilité sur ces deux substrats fortement désadaptés en maille. Les résultats obtenus dans le cas de GaP sont ensuite étendus au cas de pseudo-substrats commerciaux GaP/Si de haute qualité cristalline pour l’intégration de matériaux à base d’InAs sur des substrats Si (001) exactement orientés. Des mobilités électroniques atteignant 28 000 cm-2.V-1.s-1 à 300K et supérieures à 100 000 cm-2.V-1.s-1 à 77K sont démontrées.

Low power consumption transistors operating at low supply voltage are highly required for both high frequency autonomous communicating systems and CMOS technology. Since the performances of silicon-based devices are strongly degraded upon low voltage operation, low bandgap III-V semiconductors are now considered as alternative active materials. Among them, one of the best candidates is InAs. Therefore, the present work aims on paving the way to the use of InAs in transistor channels for both high-speed analog and digital applications. We particularly investigate the molecular beam epitaxy growth of InAs/AlSb heterostructures on both (001) GaAs and GaP via an antimonide metamorphic buffer layer. Using atomic force microscopy, transmission electron microscopy and reflection high energy electron diffraction, we first show the critical influence of the growth conditions on the III-Sb nucleation. From this study, we then achieve optimized high mobility InAs layers on these two highly mismatched substrates. The results obtained in the GaP case are extended to commercially available high quality GaP/Si platforms for the integration of InAs-based materials on an exactly oriented (001) Si substrate. State of the art mobility of 28 000 cm-2.V-1.s-1 at 300K and higher than 100 000 cm-2.V-1.s-1 at 77K are demonstrated.