Strain states management in GeSn alloys for CMOS and wavelength tunable applications at room temperature
Redistribution des états de contrainte dans l'alliage germanium-étain pour des applications laser CMOS-compatibles à température ambiante et accordables en longueur d'onde
Résumé
Due to the direct band gap, semiconductors based on the germanium-tin alloy (GeSn) are the subject of special care for opto-electronic devices. Unlike pure germanium, unstrained GeSn alloys have a direct inter-band energy transition from a concentration of around 6 %, providing an optical gain necessary to observe the laser effect at low temperatures. The operating temperature of the laser effect is increasing with the tin content. However, alloying tin in germanium faces technological issues in terms of material growth for a concentration higher than 16 %. The application of a tensile strain can be an alternative approach to modify the band diagram and amplify the material gain in order to consider applications at room temperature.In a first chapter, useful quantities and effects of the deformation on the band structure are introduced.GeSn alloys under bi-axial tensile strain are studied in micro-disk cavites stressed by tensor layer, and then in suspended cross-like membranes using strain management. The strain is estimated by FEM simulation, Raman spectroscopy and photoluminescence. The laser effect is also shown.In a final chapter, [100] uni-axial tensile strain is presented in micro-bridge structures, demonstrating the laser effect up to 273 K. Thanks to micro-laue diffraction, a tensile strain measurement is also carried out.
En raison de leur bande interdite à caractère direct, les semi-conducteurs à base de l'alliage germanium-étain (GeSn) font l'objet d'une attention particulière pour des dispositifs optoélectroniques. Contrairement au germanium pur, l'alliage GeSn possède une transition énergétique interbandes directe à partir d'une concentration d'environ 6 % à l'état relaxé, lui conférant du gain optique nécessaire pour observer l'effet laser à basse température. La température de fonctionnement de l'effet laser est d'autant plus élevée que la couche optiquement active est riche en étain. Toutefois, l'incorporation d'étain dans l'alliage se heurte à l'heure actuelle à des limites technologiques en termes de croissance du matériau à partir d'une concentration supérieure à 16 %. L'application d'une déformation en tension se présente donc comme une approche alternative pour modifier le diagramme de bande et amplifier le gain du matériau pour envisager des applications à température ambiante.Dans un premier chapitre, les grandeurs utiles et les effets de la déformation sur la structure de bande ont été introduits.Le cas d'une déformation bi-axiale de l'alliage GeSn est ensuite abordée dans des structures micro-disques contraints par couche tenseur, puis par des membranes croix suspendues. La déformation est estimée par simulation FEM, spectroscopie Raman et Photoluminescence. L'effet Laser est également étudié.Dans un dernier chapitre, la déformation uni-axiale selon [100] est présentée via des structures micro-ponts, montrant l'effet laser jusqu'à 273 K. A l'aide de la diffraction micro-laue, une étude de la déformation est également menée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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