Thermal engineering in an epitaxial nanostructured germanium semi-conductor - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Thermal engineering in an epitaxial nanostructured germanium semi-conductor

Ingénierie thermique dans un semi-conducteur nanostructuré par épitaxie à base de germanium

Yanqing Liu
  • Fonction : Auteur

Résumé

For the development of thermal engineering in semiconductor (SC) based devices, the requirement of new materials under the idea of "electron crystal - phonon glass" model stays always a great challenge. In this work, a new germanium based SC model has been studied and experimentally characterized regarding its thermal conductivity for thermal engineering. The materials are thin films of an epitaxial germanium matrix embedded with randomly distributed Ge3Mn5 nano-inclusions (5-50 nmin diameter), grown on a Germanium-on-insulator (GOI) substrate. The Ge matrix is demonstrated to be highly single-crystalline doped p-type by manganese atoms. TEM characterizations revealed that the nano-inclusions are nearly spherical and their geometries and diameter distributions are tunable depending on the growth parameters in molecular beam epitaxy, i.e. the Mn concentration and the annealing temperature. The thermal conductivities of the Ge:Mn thin films have been measured using both a highly sensitive technique based on the 3-omega method, and the scanning thermal microscopy (SThM). The measurement results revealed dramatically reduced thermal conductivities (compared to Ge bulk), 3-15 Wm-1K-1, for Ge:Mn thin films containing different Mn% (6%-14%) at room temperature. The minimum value of 3.3 Wm-1K-1 for Ge:Mn thin film containing 10% Mn was found to have beaten the “alloy limit” of thermal conductivity set by Si1-xGex at room temperature (6-12 Wm-1K-1). The low thermal conductivities for all Ge:Mn/GOI samples have also been confirmed by SThM results. These remarkable results have demonstrated the significant effects of the nano-inclusions on the phonon transport in the crystalline Ge matrix. Numerical simulations based on Boltzmann transport equation have been performed, and different models have been tried. Further modeling work will be continued to try to achieve a fully interpretation of the experimental results on these Ge:Mn thin films, and to understand the understand the phonon scattering mechanisms in this nano-structured SC material.
Ce travail de thèse porte sur les propriétés de transport thermique liées aux phonons dans un nouveau matériau nano-structuré constitué de couches minces de Ge:Mn de type "electron crystal - phonon glass". Ce matériau est élaboré par épitaxie par jets moléculaires au CEA/INAC à Grenoble sur des substrats spécifiques de "Germanium-on-insulator (GOI)". Il est constitué par une matrice de germanium possédant une qualité cristalline parfaite dans laquelle est inclue une importante concentration de nano-inclusions de Ge3Mn5 de forme quasi-sphérique. L’analyse de clichés de microscopie électronique à transmission (MET) montre que ces nano-inclusions ont une distribution de diamètre variant de 5 à 50 nm. Il est par ailleurs possible de jouer sur les paramètres de croissance afin de modifier la dispersion de taille des inclusions ainsi que leur concentration. Cette possibilité nous a permis d’étudier de façon exhaustive l’influence des nano-inclusions sur le transport de chaleur autour de la température ambiante. Pour ce faire, une expérience de mesure de conductivité thermique "3-omega" dédiée à ces échantillons et extrêmement sensible, a été fabriquée à l’Institut Néel. Cette expérience nous a permis de mesurer les variations de conductivité thermique induites par la modification de la distribution en taille des nano-inclusions de Ge:Mn dans des couches minces d’une centaine de nanomètres d’épaisseur, avec une erreur réduite d’environ 14%. Il a été montré que le transport thermique dans ces couches minces pouvait être réduit d’un facteur 20 comparé au germanium massif puisque des valeurs de conductivité thermique de l’ordre de 3 Wm-1K-1 ont été mesurées. Ces valeurs de conductivité thermique, confirmées par des expériences de Microscopie thermique à sonde locale (SThM) au Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL), sont inférieures à la limite d’alliage pour le SiGe. Des simulations numériques ont été utilisées afin de mieux comprendre cette diminution spectaculaire de la conductivité thermique et d’interpréter les données expérimentales. Ces simulations montrent que cette diminution n’est pas explicable par des modèles théoriques standards. Ces faibles conductivités thermiques ainsi que la grande mobilité des porteurs dans le germanium font de ces matériaux à base de GeMn de bons candidats pour la thermoélectricité.
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Dates et versions

tel-01259689 , version 1 (20-01-2016)
tel-01259689 , version 2 (17-01-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01259689 , version 1

Citer

Yanqing Liu. Thermal engineering in an epitaxial nanostructured germanium semi-conductor. Physics [physics]. Universite Joseph Fourier; Centre National de la Recherche Scientifique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01259689v1⟩
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