Epitaxie sélective et propriétés optiques, électriques des îlots quantiques de Ge sur Si(001)

Selective epitaxial growth and optical, electrical properties of germanium quantum dots on silicon(001) substrates

• Auteur / Autrice : Huu Lam Nguyen
• Direction : Daniel Bouchier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Électronique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Photoluminescence

Uhv-cvd

Résumé

L'objectif de cette thèse consiste à développer une nouvelle approche d'élaboration des îlots quantiques de Ge sur substrat de Si(001) par épitaxie sélective et à étudier les propriétés optiques et électriques de ces îlots. Deux méthodes d'épitaxie sélective ont été utilisées : La première est la croissance d'îlots quantiques de Ge dans des ouvertures obtenues par désorption partielle d'une couche de silice native. Cette approche qui ne nécessite pas de préalable technologique permet d'obtenir des ouvertures, dont la dimension latérale varie entre 100 et 300 nm. Nous obtenons un ou plusieurs îlots de Ge par ouverture en fonction de cette dimension. Le silicium épitaxié sélectivement dans ces ouvertures évolue vers une forme de pyramide tronquée. En contrôlant la hauteur de cette couche, nous pouvons obtenir au sommet de celle-ci un seul îlot de Ge dans une grande ouverture. Dans la deuxième partie, nous exposons les résultats de croissance d'îlots quantiques de Ge dans des fenêtres obtenues par lithographie. Le nombre d'îlots et leurs positions dépendent de la taille, de la forme des fenêtres, et de la surface de la couche supérieure de Si. Des couches simples et des multicouches d'îlots de Ge ont été réalisées. Les propriétés optiques des îlots sélectifs sont étudiées par spectroscopie de photoluminescence et Raman. La comparaison avec les îlots auto-assemblés révèle l'absence de signal provenant de la couche de mouillage et un décalage vers les hautes énergies. Les propriétés électriques des îlots sélectifs sont étudiées à travers les caractéristiques courant-tension de diodes Schottky en fonction de la température et des mesures par la pointe AFM à température ambiante.

The goal of this thesis consists in the development a new method to obtain Ge quantum dots on Si(001) substrates by selective epitaxial growth (SEG) and in studying theirs optical and electrical properties. Two methods of selective growth were chosen: The first one is SEG of Ge quantum dots on SiO2/Si(001) surfaces prepared by partial thermal desorption. We show that the voids, which are a few hundreds nanometers wide were formed. We obtain one or several Ge dots per void as a function of its dimension. A silicon layer grown selectively prior to deposit the Ge dots has a truncated pyramid shape limited by {113} facets. By monitoring the facets formation, we show that it is possible to form a single Ge dot in a broad void. In the second method, we present our results on selectively grown Ge quantum dots in windows patterned by DUV lithography and RIE etching. The number of Ge dots as well as theirs positions depend not only on window size and shape, but also on the area of the Si layer's apex. We obtain single layer and multiple layers of Ge quantum dots. Optical properties of SEG Ge dots were studied by PL and Raman spectroscopies. In comparison with self-assembled Ge dots, we observe an absence of signal from the Ge wetting layer and a blue shift of the emission line of SEG Ge dots, which is related to a higher confinenement of the carriers. Electrical properties of SEG of Ge dots have been studied via the current-voltage characteristics as a function of temperature of the Schottky diodes and via an AFM cantilever in contact mode at room temperature.