Epitaxial growth of tensile-strained and heavily n-doped Ge for Si-based optoelectronic applications

Le silicium (Si) et le germanium (Ge) sont les matériaux de base utilisés dans les circuits intégrés. Cependant, à cause de leur gap indirect, ces matériaux ne sont pas adaptés à la fabrication de dispositifs d'émission de lumière, comme les lasers ou diodes électroluminescentes. Comparé au Si, le Ge pur possède des propriétés optiques uniques, à température ambiante son gap direct est de seulement 140 meV au-delà du gap indirect tandis qu'il est supérieur à 2 eV dans le cas du Si. Compte tenu du coefficient de dilatation thermique du Ge, deux fois plus grand que celui du Si, une croissance de Ge sur Si à hautes températures suivie d'un refroidissement à température ambiante permet de générer une contrainte en tension dans le Ge. Cependant, l'existence d'un désaccord de maille de 4,2% entre deux matériaux conduit à une croissance Stranski-Krastanov avec la formation des films rugueux et contenant de forte densité des dislocations. Nous avons mis en évidence l'existence d'une fenêtre de température de croissance, permettant de supprimer la croissance tridimensionnelle de Ge/Si. En combinant la croissance à haute température à des recuits thermiques par cycles, une contrainte de 0,30% a pu être obtenue. Le dopage de type n a été effectué en utilisant la décomposition de GaP, ce qui produit des molécules P2 ayant un coefficient de collage plus grand par rapport à celui des molécules P4. En particulier, en mettant en oeuvre la technique du co-dopage en utilisant le phosphore et l'antimoine, nous avons mis en évidence une augmentation de l'émission du gap direct du Ge à environ 150 fois, ce qui constitue l'un des meilleurs résultats obtenus jusqu'à présent.Silicon (Si) and germanium (Ge) are the main materials used as active layers in microelectronic devices. However, due to their indirect band gap, they are not suitable for the fabrication of light emitting devices, such as lasers or electroluminescent diodes. Compared to Si, pure Ge displays unique optical properties, its direct bandgap is only 140 meV above the indirect one. As Ge has a thermal expansion coefficient twice larger than that of Si, tensile strain can be induced in the Ge layers when growing Ge on Si at high temperatures and subsequent cooling down to room temperature. However, due to the existence of a misfit as high as 4.2 % between two materials, the Ge growth on Si proceeds via the Stranski-Krastanov mode and the epitaxial Ge films exhibits a rough surface and a high density of dislocations. We have evidenced the existence of a narrow substrate temperature window, allowing suppressing the three-dimensional growth of Ge on Si. By combining high-temperature growth with cyclic annealing, we obtained a tensile strain up to 0.30 %. The n-doping in Ge was carried out using the decomposition of GaP to produce the P2 molecules, which have a higher sticking coefficient than the P4 molecules. In particular, by implementing a co-doping technique using phosphorus and antimony, we have evidenced an intensity enhancement of about 150 times of the Ge direct band gap emission. This result represents as one of the best results obtained up to now