Soutenance de thèse de Hamza KHELIDJ

3 Résumé Le semi-conducteur Ge1–xSnx présente des propriétés intéressantes pour des applications optoélectroniques. En particulier, les alliages Ge1–xSnx avec x ≥ 0.1 présentent une bande interdite directe. Ces alliages peuvent être intégrés en technologie CMOS (complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur), permettant le développement de la photonique de Si. L’objectif de cette thèse est d’étudier la fabrication de films minces semi-conducteurs Ge1–xSnx par pulvérisation cathodique magnétron et leurs contacts ohmiques par diffusion réactive. La cristallisation et la croissance cristalline de Ge1–xSnx ont été étudiées. La cristallisation d'une couche amorphe de Ge1–xSnx déposée à température ambiante conduit à la croissance de films polycristallins. De plus, la compétition entre la séparation de phases Ge/Sn et la croissance Ge1–xSnx empêche la formation de couches de Ge1–xSnx riches en Sn à gros grains sans formation d’îlots de β-Sn en surface. Cependant, une croissance à T = 360 °C d'un film de Ge0.9Sn0.1 pseudo-cohérent fortement relaxé avec une faible concentration d'impuretés (< 2 × 1019 cm–3) et une résistivité électrique de quatre ordres de grandeur plus petite que celle du Ge non dopé a été obtenue. Nous avons montré que la mesure du coefficient de Seebeck pour les couches minces de Ge et de Ge1–xSnx permet à la fois de déterminer le type de dopage, la concentration et la variation des mécanismes de diffusion des porteurs de charges. Cette méthode originale est en accord avec les mesures d’effet Hall, avec une erreur proche de 50 %. La réaction à l'état solide de Ni/Ge0.9Sn0.1 montre une croissance séquentielle de deux phases. La phase qui se forme en premier est la phase Ni5(GeSn)3, cette dernière est stable jusqu’à 290°C. Puis, à 275 °C, la phase Ni(GeSn) a été observée. Cette phase est stable jusqu'à 430 °C. Un retard de la formation de la phase Ni(GeSn) par rapport à la phase NiGe a été constaté. De plus, la stabilité thermique de la phase NiGe est fortement dégradée par l’ajout du Sn. La cinétique de croissance des phases ainsi que la cinétique de ségrégation du Sn dans la phase Ni(GeSn) ont été étudiées.

The Ge1–xSnx semiconductor shows interesting properties for optoelectronic applications. In particular, Ge1–xSnx alloys with x ≥ 0.1 should display a direct band gap. These alloys can be integrated in CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) technology, allowing the development of Si photonics. The aim of this thesis is to study the fabrication of Ge1–xSnx thin films semiconductors by magnetron sputtering and their ohmic contacts by reactive diffusion. The crystallization and the crystalline growth of Ge1–xSnx were studied. The crystallization of an amorphous Ge1–xSnx layer deposited at room temperature leads to a polycrystalline growth. In addition, the competition between Ge / Sn phase separation and Ge1–xSnx growth prevents the formation of large-grain Sn-rich Ge1–xSnx films without the formation of β-Sn islands on the surface. However, the growth at T = 360 ° C of a highly relaxed pseudo-coherent Ge0.9Sn0.1 film on Si(100) with a low concentration of impurities (< 2 × 1019 cm–3) and an electrical resistivity four orders of magnitude smaller than undoped Ge was obtained. We have shown that the measurement of the Seebeck coefficient for Ge and Ge1–xSnx thin films allows the determination of the type of doping, the concentration of the charge carriers and the variation of the scattering mechanisms. This original method was agree with Hall Effect measurements, with an error close to 50%. The solid state reaction of Ni /Ge0.9Sn0.1 shows a sequential growth of two phases. The first phase to form was the Ni5(GeSn)3 phase, which is stable up to 290 ° C. Then, at 275 ° C, the Ni(GeSn) phase was observed. This phase is stable up to 430 ° C. A delay in the formation of the Ni(GeSn) phase compared to the NiGe phase was observed. In addition, the thermal stability of the NiGe phase is highly affected by the addition of Sn. The phase growth kinetics as well as the Sn segregation kinetics in the Ni(GeSn) phase were studied.