Hétérostructures à base de GeSn et de Ge-2H : Structure électronique, dynamique des porteurs et des phonons et fonction diélectrique

par Ritwik Das

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Frédéric Aniel, Nicolas Zerounian et de Anne-Sophie Grimault-jacquin.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 30-09-2020 .


  • Résumé

    Le travail collaboratif Elegante (ANR-17-CE24-0025), porté par M. El Kurdi (équipe QD du C2N) vise le développement d'une source laser sur des alliages de Germanium Etain (GeSn) qui peuvent présenter une bande interdite directe, nécessaire pour une émission laser efficace. De plus, GeSn peut être intégré de façon monolithique sur un substrat de silicium. Elegante a pour objectif de dépasser deux goulots d'étranglement associés aux lasers GeSn, en mettant en œuvre l'injection électrique, l'insertion de puits quantiques dans les régions actives et l'utilisation de l'ingénierie des contraintes pour augmenter la température de fonctionnement des lasers. La structure électronique des alliages GeSn contraints en présence de confinement quantique sera calculée par une combinaison de calculs DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité), pseudo potentiels empiriques non locaux et k.p. Ces calculs préliminaires donneront accès à de nombreuses grandeurs physiques (fonction diélectrique, tenseur piézoélectrique, relation de dispersion des phonons) qui sont indispensables dans de nombreux outils de modélisation de dispositifs. Du point de vue expérimental, l'étudiant sera associé aux mesures électriques sur les dispositifs dessinés par le C2N en collaboration avec le CEA LETI. Sur des diodes et des capacités s'appuyant sur des hétéro-structures GeSn/Ge et SiGeSn/Ge, seront menées au C2N des mesures de courant, de paramètres S et de bruit BF en fonction de la température (1.6 K – 320 K). Les objectifs sont : 1/ la mesure des discontinuités en bande de valence et 2/ la spectroscopie des défauts. Si les couches sont suffisamment épaisses, des mesures de la permittivité complexe des matériaux par spectroscopie FTIR seront entreprises dans la gamme THz. Des guides coplanaires utilisés comme moyen d'accéder à la permittivité pourront être réalisés, dans un second temps. Le deuxième volet du travail proposé concerne l'étude du Ge 2H à travers l'analyse d'hétérostructures Ge-3C/Ge-2H. Ce travail est porté par l'équipe HETERNA du C2N notamment à travers le projet ANR HEXSIGE (ANR-17-CE30-0014). La phase 2H présente des propriétés électroniques et optiques intéressantes ; notamment la bande interdite plus petite que celle de la phase 3C est directe. De plus, le réseau 3C/2H forme une homojonction avec un alignement de type I. L'équipe Ephycas du C2N se propose d'accompagner le travail de l'équipe HETERNA via deux activités : 1/La conception, réalisation et mesure de dispositif afin de caractériser des propriétés de la phase 2H et 2/ les modélisations numériques associées. Il s'agit ici de travailler sur des couches minces de Ge-2H qui n'ont pas encore été réalisées. Par diverse mesures complémentaires, l'équipe Ephycas étudiera les discontinuités de bandes, la fonction diélectriques, la dynamique des porteurs et des phonons. Le travail de modélisation numérique utilisera des codes DFT et des codes « maison ». Grâce à ces deux volets à l'interface entre plusieurs équipes du C2N issues des départements nanoélectroniques, photonique et matériaux et plusieurs projets ANR, le doctorant acquerra des compétences en modélisation (DFT, dynamique des phonons), en mesures expérimentales (Spectroscopie, mesures de bruit BF et mesures HF) et en analyse de matériaux semi-conducteurs qui pourra donner lieu à de nombreuses perspectives dont l'étude de couches minces de SiGe hexagonal.

  • Titre traduit

    GeSn and Ge-2H based heterostructures: Electronic structure, carriers and phonon dynamics, and dielectric function


  • Résumé

    This work proposed by the EPHYCAS team of C2N mainly concerns modeling and measurements of heterostructures in cooperation with QD and HETERNA team in two projects. The collaborative work ELEGANTE (ANR project), led by M. El Kurdi (QD team of C2N) aims at the development of a laser source on Germanium Tin alloys (GeSn) which can present a direct forbidden band gap, necessary for an effective laser emission. In addition, GeSn can be integrated monolithically on a silicon substrate. This work aims to overcome two bottlenecks associated with GeSn lasers, by implementing electrical injection, the insertion of quantum wells in the active region and the use of strain engineering to increase the temperature of operation of lasers. The electronic structure of strained GeSn alloys in the presence of quantum confinement will be calculated by a combination of DFT (density functional theory), non-local empirical pseudo-potentials and k.p. methods. These preliminary calculations will provide many physical quantities (dielectric function, piezoelectric tensor or dispersion relation of phonons) which are essential in device modeling tools. The student will be involved in electrical measurements on the devices designed by the C2N in collaboration with the CEA LETI. On diodes and capacitors based on GeSn/Ge and SiGeSn/Ge heterojunctions, the measurement of I-V, S-parameters and LF noise as a function of temperature (1.6 K - 320 K) will be carried out in C2N. The objectives are: 1/ measurement of discontinuities in the valence band and 2/ spectroscopy of point defects. If the layers are thick enough, the measurement of the complex permittivity of the materials will be done in the THz range by FTIR spectroscopy. Coplanar guides used as a way to access to permittivity may be produced, in a second step. The second part of the proposed work concerns the study of Ge 2H through the analysis of Ge-3C/Ge-2H heterostructures. This work is carried out by the HETERNA team of C2N (HEXSIGE ANR project). The 2H phase has interesting electronic and optical properties; in particular the bandgap is smaller than the direct bandgap 3C phase. In addition, the 3C/2H homojunction is of type-I band alignment. The EPHYCAS team of C2N intends to support the work of the HETERNA team through two activities: 1/ Design, implementation and measurement of device in order to characterize properties of the 2H phase and 2/ the associated numerical modeling. It concerns some study on Ge-2H thin layers not already done. By various complementary measures, the valence band discontinuities, the dielectric function, and the dynamics of carriers and phonons will be investigated. The numerical modeling will use DFT codes and ”home made' codes. Thanks to these two parts at the interface between several C2N teams from the nanoelectronics, photonics and materials departments and several ANR projects, the doctoral student will acquire skills in modeling (DFT, carriers and phonon dynamics), in experimental measurements (Spectroscopy, measurements of LF noise and HF measurements) and in analysis of semiconductor materials which could give rise to many perspectives including the study of hexagonal SiGe thin layers.