Buche quantiche di Si/SiGe : crescita e caratterizzazione

Abstract

I più promettenti dispositivi per la generazione di radiazione THz sono attualmente i Laser a Cascata Quantica (QCL). Questi dispositivi, realizzati per mezzo dei semiconduttori III-V, sono laser unipolari basati sulle transizioni intersottobanda tra Quantum Well accoppiate. Recentemente ha suscitato un notevole interesse la possibilità di realizzare un laser analogo basato su silicio. Tale dispositivo presenterebbe numerosi vantaggi, specialmente da un punto di vista della produzione su larga scala, vista la completa compatibilità con la preesistente tecnologia del silicio. In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi in cui viene trattato lo studio di eterostrutture di semiconduttore in Si/SiGe. In particolare sono state realizzate e caratterizzare Multi Quantum Well (MQW) con il pozzo in silicio e drogaggio di tipo n, allo scopo di investigare le transizioni ottiche tra le sottobande (ISBT) create in banda di conduzione dal confinamento quantistico degli elettroni. Le MQW sono state cresciute mediante Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD), l'unica tecnica compatibile con la produzione industriale, a partire da diversi tipi di substrati: un substrato virtuale (VS) e due substrati, il Silicon Germanium On Insulator (SGOI) e lo Strained Silicon On Insulator (SSOI), che rappresentano una recente innovazione nel campo dell'eteroepitassia. In particolare, questi ultimi sono caratterizzati, rispettivamente, dalla presenza di un film superficiale sottile di Si0.8Ge0.2 cubico e Si tensile, realizzato su uno strato di SiO2 isolante. Gli studi da noi effettuati su questi nuovi substrati hanno evidenziato la presenza di un fenomeno di instabilità morfologica in seguito ad annealing termici, detto agglomerazione, che induce la rottura del film superficiale planare e la formazione di isole su ossido. E' stata implementata una metodologia innovativa per determinare la temperatura critica Tc, oltre la quale si ha l'inizio del fenomeno descritto. Tale metodologia, basata su misure di XPS in-situ, presenta evidenti vantaggi rispetto a quelle tipicamente utilizzate in letteratura, basate su misure AFM, non ultima la possibilità di campionare, con un'elevata sensibilità, ampie regioni dei substrati. E' stato inoltre dimostrato che la presenza di uno stress biassiale tensile dell'ordine di 2GPa, non ha alcun influsso sul valore di Tc, mentre permette di stabilizzare la formazione di isole di dimensioni minori rispetto a quelle che si avrebbero in assenza di strain. Questo risultato, del tutto originale, può avere importanti risvolti tecnologici legati alla realizzazione di quantum dot depositati direttamente su substrato isolante. Alla luce dei risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei substrati, sono state implementate delle procedure di preparazione per il loro utilizzo nelle crescite epitassiali che hanno consentito di ottenere superfici prive di contaminanti, quali carbonio ed ossigeno ([C], [O] <0.1%), non affette dalle modificazioni indotte dal fenomeno dell'agglomerazione e di elevata qualità cristallina. L'ottimizzazione dei parametri di crescita ha permesso di ottenere MQW con interfacce ben definite, come dimostrato da immagini TEM che evidenziano la presenza di interfacce planari ed abrupte su scale <0.5 nm ed in genere la possibilità di depositare strati nanometrici (<3 nm) di ottima qualità. La qualità dei materiali cresciuti sui differenti substrati è dimostrata dal raggiungimento di mobilità molto elevate (= 105 cm2/Vs) in gas bidimensionali di elettroni (2DEG). I risultati delle misure ottiche, nelle frequenze del FIR e del MIR, permettono una perfetta identificazione spettrale delle transizioni intersottobanda all'interno delle QW in banda di conduzione. La larghezza di riga delle transizioni è risultata praticamente indipendente dallo spessore delle buche e pari a 6meV, valore del tutto confrontabile con le larghezze ottenute in campioni cresciuti mediante MBE. Le energie delle ISBT, misurate al variare dello spessore del pozzo e della concentrazione delle barriere, hanno mostrato un ottimo accordo con un modello per la descrizione degli stati elettronici basato su un nuovo approccio tight-binding. L'accordo riscontrato dimostra l'accuratezza del modello tight binding nel determinare gli off-set di banda e gli stati elettronici nelle eterostrutture di tipo Si/SiGe ed inoltre ci ha permesso di quantificare tali off-set al variare della composizione e dello stato di strain delle barriere. Gli off-set stimati, che vanno da circa 150 meV a circa 270 meV, risultano del tutto adeguati per lo sviluppo di un QCL operante nella regione dei THz. In conclusione questa tesi dimostra che il silicio è un sistema materiale altamente promettente per lo sviluppo di un QCL basato su transizioni intersottobanda in banda di conduzione. Il lavoro svolto, inoltre, affronta e risolve alcune questioni tecnologicamente importanti, quali l'ottimizzazione delle procedure di crescita mediante CVD, l'unica tecnica compatibile con la produzione su larga scala, e lo sviluppo di procedure di crescita innovative a partire da nuovi substrati per la microelettronica (lo SGOI e il SSOI), mediante i quali è possibile implementare un'efficace ingegneria delle bande su substrato isolante, riducendo, in tal modo, capacità parassite e perdite di corrente nei dispositivi.