Germanium déformé pour l'émission de lumière

Strained germanium for light emission

• Auteur / Autrice : Kévin Guilloy
• Direction : Vincent Calvo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 05/07/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble ; 2008-2018)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Boucaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Pauc, Jean-Michel Gérard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Boucaud, Christophe Delerue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Germanium

Photonique

Mots clés libres

Photonique

Germanium

Déformation

Laser

Optique

Spectroscopie

Photonics

Germanium

Strain

Laser

Optics

Spectroscopy

Résumé

Malgré le caractère indirect de sa bande interdite, le germanium est un bon candidat comme source de lumière pour la photonique silicium puisque l'application de déformations en tension réduit l'écart entre l'énergie de son gap direct et celle de son gap indirect. Cependant, l'application de très fortes déformations soulève un certain nombre de questions, tant d'un point de vue technologique que de la connaissance des propriétés de ce matériau. Après avoir posé les bases théoriques du problème, deux approches pour déformer le germanium sont employées : la première utilisant des nanofils crus selon le mécanisme Vapeur-Liquide-Solide, la seconde utilisant une micro-structuration de substrats de germanium sur isolant.Pour la première, une étude du dopage n des nanofils crus par CVD en utilisant des mesures électriques 4 pointes et la spectroscopie EDX révèle que ceux-ci atteignent une concentration atomique en phosphore de 7 1019 cm-3, ceux-ci étant complètement activés. Un procédé de micro-fabrication est ensuite utilisé pour mettre en tension des nanofils uniques, ce qui permet d'atteindre 1.5 % d'élongation uniaxiale mesurée par micro-diffraction de rayons X. La déformation est corrélé à une mesure du gap direct par spectroscopie de photocourant, en bon accord avec les prédictions théoriques de la littérature.Le dernier chapitre présente le procédé de fabrication de structures obtenues par amplification de la contrainte résiduelle des couches de germanium sur isolant. La diffraction de rayon X, couplée à la spectroscopie Raman, révèle qu'elles atteignent 4.9 % d'extension uniaxiale et 1.9 % d'extension biaxiale. La relation entre le décalage Raman et la déformation diffère significativement des modèles publiés dans la littérature au delà de quelques pourcents de déformation. Enfin, la mesure des transitions directes avec les bandes de trous lourds et légers par spectroscopie d'électro-absorption montre que leur dépendance en déformation s'avère ne plus être en complet accord avec la théorie des potentiels de déformation au-delà de 2 % mais en accord avec des prédictions effectués par modèle des liaisons fortes.

Despite the indirect nature of its bandgap, germanium is a promising candidate as a potential light source for silicon photonic, since the application of tensile strain reduces the energy difference between its direct and indirect bandgaps. However, the application of very large strains raises a number of issues, from a technological point of vue as well as for the determination of the material properties. After laying the theoretical fondations of this problem, two straining approaches are employed : the first one using nanowires grown by the Vapor-Liquid-Solid mechanism, the second using micro-structuration of germanium-on-insulator substrates.For the first one, a study of the n-type doping of CVD-grown nanowires using 4-probes electrical measurements and EDX spectroscopy reveals that they reach a phosphorus atomic concentration of 7 1019 cm-3, these dopants being fully activated. A micro-fabrication process is then used to apply tensile strain to single nanowires, reaching 1.5 % uniaxial stretch measured by X-ray micro-diffraction. The strain measurement is correlated with a direct bandgap measurement by photocurrent spectroscopy, leading to a good agreement with theoretical predictions from the literature.The last chapter describes the fabrication process of structures obtained by amplification of the residual stress of germanium layers on insulator. X-ray diffraction, coupled to Raman spectroscopy, reveals that the structures reach 4.9 % uniaxial stretch and 1.9 % biaxial stretch. The relation between Raman-shift and strain differs significantly from models published in the literature above a few percents of strain. Finally, the measurement of the direct transition with the light- and heavy-holes bands by electro-absorption spectroscopy shows that their strain dependence is not in complete agreement with the deformation potential theory above 2 % but in agreement with predictions from tight-binding simulations.