Croissance sélective de zones des matériaux et dispositifs infrarouges en SiGeSn

Selective area growth of SiGeSn infrared materials and devices

• Auteur / Autrice : Léa Combes
• Direction : Nicolas Pauc
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Semi-conducteur

Germanium

Étain

Silicium

Épitaxie

Photodétecteur

Semiconductor

Germanium

Tin

Silicon

Epitaxy

Photodetector

Résumé

Le développement de sources et de détecteurs de lumière en semi-conducteurs du groupe IV permettra l'intégration monolithique de fonctions photoniques et électroniques sur la même plateforme. Cet objectif est maintenant à portée grâce à l'utilisation de l'alliage semi-conducteur à bande interdite directe GeSn, obtenu dans le cadre de procédés compatibles CMOS. Le GeSn est épitaxie sur Si à l'aide d'une couche intermédiaire de Ge. Des photodétecteurs, des LEDs, et des lasers en GeSn fonctionnant depuis les bandes de l'infrarouge proche (SWIR : 1.5-3 µm) à moyen (MWIR : 3-8 µm) ont déjà été réalisés. Cependant, la faible qualité cristalline de ces couches est actuellement le facteur principal limitant l'efficacité de ces composants. Le désaccord de paramètre de maille entre le GeSn et Ge/Si est à l'origine d'une déformation en compression dans GeSn qui se relâche en formant des défauts structuraux dans cette couche. Les dislocations contribuent largement au courant d'obscurité des photodétecteurs SWIR en GeSn, avec des valeurs atteignant 4 ordres de grandeur au-dessus des composants similaires réalisés en III-V (InGaAs) et II-VI (HgCdTe). Réaliser des alliages en GeSn avec une densité de défauts ultra basse est d'une importance capitale pour doper l'efficacité et libérer le potentiel de la photonique GeSn. Cette thèse aura pour but de développer la croissance sélective de zone (Selective Area Growth, SAG) du GeSn sur Si afin d'obtenir un matériau sans défauts. La SAG à partir d'un masque de SiO2 texturé est une approche très précieuse déjà utilisée dans l'intégration de lasers GaAs sur Si. En réduisant les dimensions latérales d'ouvertures pratiquées dans le masque de SiO2 sous les 200 nm, une relaxation de la contrainte sans formation de défauts est observée dans le matériau épitaxie. Des protocoles de croissance SAG ont été développés pour InSb, GaSb, InAs et Ge, mais le domaine est encore vierge pour GeSn. Cette thèse aura pour objectif de combler ce manque et conduira à la réalisation, via les protocoles SAG, de composants GeSn sans défauts et aux propriétés améliorées pour la prochaine génération de composants photoniques infra-rouge intégrés. Les questions scientifiques qui seront abordées sont, pour les plus importantes d'entre elles : 1-développer pour la première fois un protocole de croissance SAG de GeSn sur Si ; 2-améliorer la qualité cristalline du GeSn grâce au filtrage des dislocations par le procédé SAG ; 3-démontrer une forte diminution du courant d'obscurité dans les photodétecteurs SAG par rapport aux composants obtenus sur des couches épitaxiales non structurées, mettant ainsi en évidence une amélioration du fonctionnement de ces composants photoniques.

Developing all-group IV semiconductor light emitters and detectors will enable the monolithic integration of photonics and electronics on the same platform. This goal is now at reach using direct band gap GeSn semiconductors fabricated using Si-compatible processes. GeSn is grown epitaxially on Si using a Ge interlayer. GeSn photodetectors, LEDs, and lasers operating from short-wave (SWIR: 1.5-3 μm) to mid-wave (MWIR: 3-8 μm) infrared are available. However, the low GeSn crystalline quality is currently the main limiting factor in device efficiency. The lattice-mismatch between GeSn and Ge/Si results in compressive strain that is released forming structural defects. Dislocations largely contribute to the dark current of GeSn SWIR photodetectors being four orders of magnitude higher than III-V (InGaAs) and II-VI (HgCdTe) devices. Achieving GeSn materials with ultra-low defects density is of paramount importance to boost efficiency and unleash the potential of scalable GeSn photonics. This thesis will develop the selective area growth (SAG) of GeSn on Si and achieve defect-free materials. SAG from a patterned oxide mask (SiO2) is a highly valuable approach for the integration of GaAs lasers on Si. By reducing the lateral dimensions of patterned oxide openings below 200 nm, strain is released without forming defects. SAG protocols were developed for InSb, GaSb, InAs, and Ge, while no studies are available for GeSn yet. This thesis will fill this knowledge gap and enable defect-free SAG GeSn devices with enhanced performance that will be at the foundation of the next generation infrared photonics technologies. The most important scientific questions addressed by this thesis are to: (i) Develop for the first time a growth protocol for the SAG of GeSn on Si. (ii) Improve the crystalline quality of GeSn through dislocation filtering using SAG. (iii) Demonstrate a strong reduction in the dark current of SAG photodetectors compared to unpatterned GeSn devices, and hence boost the infrared optoelectronic properties of GeSn photonics.