Croissance epitaxiale et recuit laser nanosecondes d'hétérostructures GeSn/SiGeSn

Epitaxial growth and nanosecond laser annealing of GeSn/SiGeSn heterostructures

• Auteur / Autrice : Marvin Frauenrath
• Direction : Jean-Michel Hartmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Gros-Jean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Berbezier, Caroline Bonafos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers en physique

Épitaxie

Mots clés libres

Dopage in-Situ

GeSn

Epitaxie

Recuit laser nanosecond

SiGeSn

SiGeSn

Epitaxy

In-Situ doping

Nanosecond laser anneal

GeSn

Résumé

Une nouvelle source de lumière est indispensable afin d'élargir les domaines d'application de la photonique intégrée sur silicium du proche au moyen infra-rouge. Le GeSn, avec une structure de bande interdite de type directe pour des concentrations en étain supérieures à 8%, est un candidat prometteur pour répondre à cette demande. Deux stratégies de dopage ont été étudiées pour améliorer la performance de lasers (Si)GeSn pompés électriquement et pouvant opérer à température ambiante: la croissance épitaxiale, avec un dopage in-situ, et l'implantation ionique combinée avec des recuits laser nanosecondes (NLA). Des concentrations en ions B au maximum de 2.8x1019 cm-3 ont été obtenues dans des couches de GeSn dopées in-situ en bore. Le dopage in-situ phosphore du GeSn, avec des concentrations électriquement actives au maximum de 6.9x1019 cm-3, a probablement été limitée par la formation d'amas SnmPnV de taille nanométrique. Ces limitations ont été surmontées en passant au SiGeSn dopé in-situ, avec des concentrations maximales en dopants électriquement actifs de 2.0x1020 cm-3 (SiGeSn:B) et 2.7x1020 cm-3 (SiGeSn:P). Un rapport élevé entre le silicium et l'étain, de 3.5, avec une concentration maximale en Si de 25% a été obtenu, ce qui devrait être avantageux pour le confinement électriquement des porteurs de charge. Les recuits laser nanoseconde de couches de GeSn pseudomorphes avec différentes concentrations d'étain ont conduit à la formation de couches GeSn de haute qualité cristalline avec au maximum 6.3% d'étain en substitution après recuit, ce qui n'est pas faisable avec des techniques de recuit standards. Le NLA avec des impulsions laser multiples a souligné l'importance de la rugosité de l'interface liquide/solide pour la formation d'une surface lisse. De plus, il a été montré que les structures de surface formées durant le procédé de recuit laser sont riches en Sn. Lors du recuit laser du GeSn 6% implanté phosphore, l'activation électriquement des atomes de phosphore a été réussi, avec une réduction de la résistance carrée. Le savoir accumulé lors de cette thèse a été utilisé pour fabriquer les premiers lasers GeSn pompés optiquement montrant un effet laser à température ambiante.

To extend Si integrated photonics from the Near to the Mid-Infrared, new light sources are required. Direct band gap GeSn with a Sn concentration above 8% is a promising candidate to fulfill such a task. Two doping strategies were investigated in order to enhance the performance of electrically pumped (Si)GeSn lasers and achieve room temperature lasing: in-situ doped epitaxy and ion implantation together with Nanosecond Laser Anneal (NLA). Electrically active dopant concentrations of at most 2.8x1019 cm-3 were obtained in in-situ boron-doped GeSn layers. Meanwhile, in-situ phosphorous doping of GeSn, with electrically active dopant concentrations of at most 6.9x1019 cm-3, was most likely limited by the formation of SnmPnV nanoclusters. Limitations were overcome by switching over to in-situ doped SiGeSn. Indeed, electrically active dopant concentrations of at most 2.0x1020 cm-3 (SiGeSn:B) and 2.7x1020 cm-3 (SiGeSn:P) were then obtained. High Si/Sn ratios of 3.5 with Si contents of 25% were otherwise obtained, which should be beneficial for electrical carrier confinement. NLA on pseudomorphic GeSn with various Sn contents otherwise resulted in the formation of high crystalline quality GeSn layers with at most 6.3% of Sn in substitutional sites after annealing, something not achievable with standard annealing techniques. Multi pulse NLA highlighted the importance of a smooth liquid/solid interface for the formation of a smooth surface. Furthermore, it was shown that surface structures formed during laser annealing were Sn rich. When laser annealing phosphorous implanted GeSn 6%, electrical activation of phosphorous was otherwise achieved, resulting in a sheet resistance reduction. The knowledge gained during this PhD thesis was used to fabricate the first optically pumped GeSn lasers operating at room temperature.