Soutenance de thèse de ARETTE-HOURQUET Adam
Titre de thèse
Intégration de matériaux 2D sur wafer de silicium
Integration of 2D materials on silicon wafers
Résumé de la thèse
Les matériaux bidimensionnels (2D) présentent des propriétés électriques et optoélectroniques exceptionnelles. Ils ont permis d'obtenir des transistors plus performants que ceux basés sur silicium (Si), avec des épaisseurs atomiques et des tailles inférieures à 10 nm. De même, les photodétecteurs 2D peuvent dépasser les dispositifs commerciaux en termes de détectivité, temps de réponse et réduction de taille. Cependant, leur intégration sur substrat de Si reste difficile.
Ce travail s'intéresse à l'intégration de matériaux de van der Waals de la colonne IV sur Si. Pour cela deux couches intermédiaires sont envisagées : une couche de Ge sur SiO2 /Si, puis une couche de Graphène (Gr) sur Germanium (Ge), permettant à terme d'intégrer un large éventail de matériaux 2D sur Si. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à , la croissance du germanène (analogue du graphène pour le germanium) sur un substrat de Gr ainsi qu'à la croissance de Ge sur SOI par condensation de SiGe.
La croissance de Ge sur Gr a été étudiée en fonction de la température du substrat et de l'épaisseur déposée. Pour un substrat à température ambiante et une épaisseur inférieure à une demi-monocouche, la croissance se fait par nucléation d'îlots bidimensionnels entourés d'un rebord de trois à quatre hauteurs atomiques. Au-delà d'une demi-monocouche, la croissance devient préférentiellement verticale. En revanche, à basse température (-170°C), la croissance est exclusivement tridimensionnelle sous forme de dendrites, avec une augmentation de la densité d'îlots avec l'épaisseur déposée, sans modification significative de leur morphologie. Une étude supplémentaire de dépôts d'une demi-monocouche en fonction de la température du substrat a permis de déterminer la fenêtre cinétique restreinte de croissance du germanène, dont les conditions optimales de croissance se situent en-dessous d'une monocouche, sur un substrat à environ -40°C. Enfin, la périodicité observée dans certains dépôts, où une marche sur trois est plus densément peuplée, montre l'influence du substrat de Gr-6H-SiC sur la croissance de Ge.
L'intégration de Ge sur wafer de Si a ensuite été étudiée. Dans ce contexte, une méthode d'intégration du SiGe sur isolant (SGOI) est étudiée. Ce procédé repose sur la croissance de SiGe faiblement concentré en Ge sur substrat SOI, suivie d'un recuit à haute température sous oxygène permettant l'oxydation sélective du Si, et l'enrichissement en Ge. La couche de SGOI obtenue est entièrement contrainte, mais peut être entièrement relaxée à température ambiante par gravure de motifs. De plus, l'incorporation d'oxygène pendant la condensation est démontrée pour la première fois. Le coefficient de Poisson de ces couches fines en présence d'oxygène a été obtenu à une valeur (0,18) significativement inférieur au SiGe massif.
Thesis resume
Two-dimensional (2D) materials have exceptional electrical and optoelectronic properties. They have enabled the development of transistors that outperform silicon (Si)-based transistors, with atomic thicknesses and sizes of less than 10 nm. Similarly, 2D photodetectors can surpass commercial devices in terms of detectivity, response time and size reduction. However, their integration on Si substrates remains difficult.
This work focuses on the integration of van der Waals materials from column IV on Si. To achieve this, two intermediate layers are envisaged: a layer of Ge on SiO₂/Si, followed by a layer of graphene (Gr) on germanium (Ge), which will ultimately enable the integration of a wide range of 2D materials on Si. More specifically, we focused on the growth of germanene (the analogue of graphene for germanium) on a Gr substrate and the growth of Ge on SOI by SiGe condensation.
The growth of Ge on Gr was studied as a function of substrate temperature and deposited thickness. For a substrate at room temperature and a thickness less than half a monolayer, growth occurs through the nucleation of two-dimensional islands surrounded by a rim three to four atomic heights high. Above half a monolayer, growth becomes predominantly vertical. However, at low temperatures (-170°C), growth is exclusively three-dimensional in the form of dendrites, with an increase in island density as the deposited thickness increases, without any significant change in their morphology. An additional study of half-monolayer deposits as a function of substrate temperature made it possible to determine the limited kinetic window for germanene growth, with optimal growth conditions occurring below a monolayer on a substrate at approximately -40°C. Finally, the periodicity observed in certain deposits, where every third step is more densely populated, shows the influence of the Gr-6H-SiC substrate on Ge growth.
The integration of Ge on Si wafers was then studied. In this context, a method for integrating SiGe on insulator (SGOI) was investigated. This process is based on the growth of SiGe with a low Ge concentration on an SOI substrate, followed by high-temperature annealing in oxygen, allowing selective oxidation of the Si and enrichment with Ge. The resulting SGOI layer is fully strained, but can be fully relaxed at room temperature by pattern etching. In addition, the incorporation of oxygen during condensation is demonstrated for the first time. The Poisson's ratio of these thin layers in the presence of oxygen was obtained at a value (0.18) significantly lower than that of bulk SiGe.