Epitaxie par jets moléculaires de nanostructures isolées de germanium sur silicium

Abstract

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) de nanostructures isolées de Ge sur Si. Nous nous sommes intéressés à trois types de nanostructures; des boîtes quantiques isoléees de Ge avec une forte densité, des boîtes de Ge auto organisées sur des îlots de Si et des nanostructures de Ge incorporées dans des nanofils de Si. Un effort important a été porté sur l'élaboration de ces nanostructures par la voie EJM et sur la caractérisation de leurs propriétés structurales et chimiques. Nous avons mis en évidence par une étude de diffraction X en incidence rasante (GID) et par spectroscopie d'absorption X (EXAFS) que les boîtes quantiques de Ge épitaxiées à travers une fine couche d'oxyde étaient fortement contraintes par rapport au substrat de Si et sont presque pures Ge. La structure cristalline des boites de Ge encapsulées dans le Si a été étudiée par microscopie électronique en haute résolution (MET) et une étude par photoluminescence à basse température a montré une émission de ces boîtes dans le spectre visible. Cette luminescence a été attribuée à la présence de liaison résiduelle Ge-O à l'interface entre les boîtes et le Si d'encapsulation. La croissance d'îlots de Si par épitaxie latérale à travers la couche d'oxyde a permis de supprimer ces liaisons et d'obtenir une luminescence des boîtes de Ge dans l'infra rouge avec une très faible largeur de raie. Ce phénomène est attribué à une faible dispersion en taille des boites de Ge élaborées sur ces ilots de Si. Le dernier volet de ces travaux a porté sur l'élaboration de nanofils de Si par la voie VLS et sur l'incorporation de couches fines de Ge dans ces nanofils. L'interdiffusion du silicium dans ces couches de Ge a été quantifié par diffraction anomale et la structure cristalline des fils a été étudiée par METThe works presented in this manuscript focus on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) of Ge isolated nanostructures on Si. Growth of high density isolated Ge dots through a very thin silicon oxide layer, self organized Ge dots on Si islands and Ge nanostructures incorporated in Si nanowires have been investigated. Investigations of the structural properties of ultra small Ge dots, grown through a thin silicon oxide layer on Si(001), have been performed by combining Grazing Incidence X-ray Diffraction (GID) and Surface Extended X-ray Absorption Fine Structure (SEXAFS). Dots are highly strained to the Si (001) substrate and are almost pure Ge. Structural properties of these dots embedded into Si have been investigated by High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM). Low temperature photoluminescence studies evidenced a visible luminescence, induced by the presence of Ge-O bonds. These bonds have been suppressed by growing Ge dots on silicon islands on the silicon oxide layer. A narrow peak of luminescence has been observed at 1550 nm. This phenomenon can be related to the narrowing of the size distribution of Ge dots on the Si islands. In the last part of this work, silicon nanowhiskers have been grown by molecular beam epitaxy on Si (111) by vapor-liquid-solid mechanism induced by gold droplets. Very thin Ge containing layers have been incorporated in Si nanowhiskers in order to grow SiGe heterostructures. Anomalous grazing incidence x-ray diffraction and transmission electron microscopy observations show a strong intermixing of Si with Ge in nanowhiskers and formation of SiGe heterostructures which are highly strained to SiGRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF