Croissance et caractérisation des Nanofils GeSn et SiSn obtenue par le mécanisme Solide-liquide-Solide

Growth and characterization of in-plane solid-liquid-solid GeSn and SiSn nanowires

• Auteur / Autrice : Edy Edward Azrak
• Direction : Philippe Pareige
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Delerue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Bonafos, Moustafa El Kurdi, Pere Roca i Cabarrocas, Sébastien Duguay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces (sciences physiques)

Matériaux nanostructurés

Nanofils

Semiconducteurs

Étain -- Alliages

Germanium -- Alliages

Mots clés libres

Germanium-Etain

GeSn

Semiconducteur

Bande interdite

Nanofils

Catalyseur

Croissance

Solide-liquide-solide

Solide-solide-solide

Caractérisation

Germanium-Tin

GeSn

Semiconductor

Band-gap

Nanowires

Catalyst

Growth

Solid-liquid-solid

Solid-solid-solid

Characterizations

Résumé

L’alliage germanium-étain est un semiconducteur qui suscite une grande attention en raison de ses propriétés électriques et optiques. L’incorporation de Sn dans le germanium permet d’ajuster la largeur de bande interdite (gap) et d’améliorer la mobilité des électrons et des trous, et pour une quantité suffisante d’étain, le matériau passe d’un gap indirect à direct. Cet alliage est versatile parce qu’il peut être intégré d’une façon monolithique sur le Si, c’est ce qui en fait un matériau idéal dans les domaines de l'optoélectronique à base de silicium. Cette thèse est sur la fabrication et la caractérisation de nanofils cristallins Ge1-xSnx à haute concentration en Sn. Des nouvelles stratégies ont été employées pour fabriquer de nombreux types de nanofils GeSn. Les résultats ont été expliqués en fonction des modèles cinétiques existants. Un nouveau mécanisme de croissance y est décrit: le mécanisme solide-solide-solide – SSS. Il consiste à faire croître des nanofils de GeSn dans le plan du substrat à l’aide de catalyseurs d’étain à une température inférieure au point de fusion de Sn. Quatre modèles de transport de masse sont proposés pour le mécanisme de croissance du SSS. Diverses caractérisations (par exemple TEM et APT) ont été effectuées pour étudier les propriétés physiques, et chimiques des nanofils.

Germanium-Tin alloy is a unique class semiconductor gaining a strong attention because of its significant electrical and optical properties. Sn incorporation in Ge allows straightforward band-gap engineering enabling to enhance the electron and hole mobilities, and for a sufficient Sn amount an indirect-to-direct band-gap transition occurs. Its versatility rises due the possible monolithic integration on Si-platforms making it an ideal material in domains of optoelectronics, and high speed electronic devices. This thesis has focused on the fabrication and characterization of crystalline Ge1-xSnx nanowires with high Sn concentrations. New strategies were designed to fabricate many types of GeSn nanowires. The results have been explained as function of the existing kinetic models. A new growth mechanism was reported (i.e. Solid-Solid-Solid mechanism – SSS), it consists of growing in-plane GeSn nanowires using Sn catalysts below the melting point of Sn. Four mass transport models were proposed for the SSS growth mechanism. Various characterizations (e.g. TEM and APT) were done to investigate the physical and chemical properties of the obtained nanowires.