Déformation élastique extrême de membranes semi-conductrices à échelle modulable pour de nouvelles applications optoélectroniques

Extreme elastic strain of scalable semiconductor membranes for novel optoelectronic applications

• Auteur / Autrice : Zakaria Ismaili
• Direction : Jumana Boussey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Panagiota Morfouli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Olivier Renault, Stéphanie Escoubas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Élastomères

Optoélectronique

Semiconducteurs

Mots clés libres

Semi-Conducteur

Déformaion

Élastomère

Membrane

Collage

Rayon X

Semiconductor

Strain

Elastomer

Membrane

Bonding

X-Ray

Résumé

Les contraintes exercées sur les semi-conducteurs peuvent modifier leurs propriétés physiques. Par exemple, une déformation élastique importante peut transformer le germanium d'un semi-conducteur à bande interdite indirecte en un semi-conducteur à bande interdite directe. Cela peut avoir un impact significatif sur les propriétés optiques et électroniques, notamment en améliorant la mobilité des porteurs de charge ou le processus de recombinaison de la paire électron-trou, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications innovantes.Dans ce contexte, l'objectif de cette étude était d'atteindre une déformation de 0,8% sur une membrane semi-conductrice de taille centimétrique et d'épaisseur supérieure à 1 µm, ce qui n'avait jamais été réalisé auparavant. Cette déformation et cette taille de matériau étaient nécessaires pour le développement d'une photodiode à haut rendement.Pour y parvenir, trois systèmes de déformation ont été mis au point, tous utilisant un substrat élastomère épais pour obtenir un couple maximal pendant la déformation, ce qui les rendait compatibles avec les grandes dimensions des matériaux semi-conducteurs. Pour le besoin de l’étude, des membranes commerciales ont été initialement utilisées avant de changer d’approche car, elles se sont avérées trop fragiles et difficiles à manipuler sans les dégrader. On avait donc cherché à développer une voie de fabrication locale pour des membranes minces de différentes tailles, formes, épaisseurs et concentrations de dopants.Pour pré-dimensionner et valider la faisabilité des systèmes de déformation, une simulation par éléments finis a été utilisée. Les résultats ont montré que des déformations de l'ordre de 0,8 % pouvaient être obtenues avec des paramètres considérés comme expérimentalement réalistes, tout en préservant l'intégrité des membranes déformées et sans dépasser la limite élastique du semi-conducteur.Des résultats expérimentaux ont ensuite été obtenus, utilisant deux techniques de mesure de la déformation in situ : la spectroscopie Raman et la diffraction des rayons X. Ces résultats ont montré que les deux systèmes de déformation sélectionnés permettaient de dépasser le taux de déformation de 0,8 % fixé comme objectif du projet.Bien que le but ultime de fabriquer des photodiodes à partir de membranes de germanium déformées n'ait pas été atteint dans le temps imparti pour la thèse, plusieurs contributions ont été apportées en termes d'ingénierie de la déformation. En particulier, la méthode originale proposée pour déformer de grandes membranes semi-conductrices via un substrat élastomère épais. Les perspectives proposées pourraient permettre le transfert de ces membranes déformées sur un substrat rigide pour ensuite conduire la séquence de fabrication des photodiodes.

Stresses on semiconductors can change their physical properties. For example, significant elastic strain can transform germanium from an indirect band gap semiconductor to a direct band gap semiconductor. This can have a significant impact on the optical and electronic properties, notably by improving the mobility of charge carriers or the recombination process of the electron-hole pair, thus opening the way to new innovative applications.In this context, the objective of this study was to reach a strain of 0.8% on a semiconductor membrane of centimetric size and thickness greater than 1 µm, which had never been achieved before. This strain and material size were necessary for the development of a high efficiency photodiode.To achieve this, three straining systems were developed, all of which used a thick elastomeric substrate to achieve maximum torque during straining, making them compatible with the large dimensions of the semiconductor materials. For the purpose of the study, commercial membranes were initially used before changing the approach as they proved to be too fragile and difficult to handle without degrading them. The study therefore sought to develop a local fabrication route for thin membranes of different sizes, shapes, thicknesses, and dopant concentrations.To pre-dimension and validate the feasibility of the straining systems, a finite element simulation was used. The results showed that strains of the order of 0.8% could be obtained with parameters considered experimentally realistic, while preserving the integrity of the strained membranes and without exceeding the elastic limit of the semiconductor.Experimental results were then obtained, using two techniques to measure the in-situ strain: Raman spectroscopy and X-ray diffraction. These results showed that the two selected strain systems were able to exceed the 0.8% strain rate set as the project objective.Although the ultimate goal of fabricating photodiodes from deformed germanium membranes was not achieved in the time allotted for the thesis, several contributions were made in terms of deformation engineering. In particular, the original method proposed to deform large semiconductor membranes via a thick elastomeric substrate. The proposed perspectives could allow the transfer of these strained membranes on a rigid substrate to then drive the photodiode fabrication sequence.