Évaluation et contrôle des interfaces dans les hétéro-structures silicium/germanium

Résumé
L'utilisation des alliages Si_1-xGe_x dans les dispositifs électroniques et opto-électroniques connait un essor considérable en raison des degrés de liberté supplémentaires qu'elle offre dans la conception et l'optimisation des dispositifs. L'adjonction du silicium et des alliages Si_1-xGe_x présente toutefois des difficultés reliées à la gestion des contraintes et au contrôle de la morphologie et de la composition des hétéro-structures. Nous avons appliqué les méthodes de diffusion des rayons-x à l'évaluation des interfaces d'hétéro-structures Si/Si_1-xGe_x préparées par épitaxie par jets moléculaires. Pour les systèmes comportant des couches d'alliages dilués (i.e x < 0.35) on observe des hétéro-interfaces planes pour des dépôts à basse température (500°C) mais une ondulation marquée des interfaces de films déposés à haute température (> 625°C). Ce changement morphologique s'explique par la minimisation de l'énergie associée à la contrainte aux dépens de l'énergie libre de surface. Dans le cas d'alliages riches en Ge (x ≈ 1.0) la température de croissance et la désorientation résiduelle du substrat ont une incidence marquée sur l'amplitude de la rugosité d'interface et sur sa distribution spatiale. Dans les multi-couches Ge/Si on observe la présence de traces de Ge dans les couches de Si causée par une ségrégation de la couche de Ge sous-jacente. Ce phénomène peut-être minimisé par une exposition de la surface à l'hydrogène atomique durant le dépôt.

Abstract
Use of Si_1-xGe_x alloys in electronic devices is expanding rapidly because of the additional degrees of freedom it allows in the design and optimisation of components. Combining Si with Si_1-xGe_x alloys is made difficult because of problems associated to the control of strain, morphology and compositional uniformity in the heterostructures. X-ray scattering techniques have been used to assess the interfaces in various Si/Si_1-xGe_x heterostructures prepared by molecular beam epitaxy. In structures comprising dilute alloys (i.e., x < 0.35) planar interfaces are observed at low growth temperature (500°C) but wavy interfaces are observed in films deposited at high temperature (> 625°C ). This morphological evolution is explained by the minimization of the strain energy to the expense of surface free energy. In the case of structures made of thin Ge-rich (x ≈ 1.0) layers, the growth temperature and the residual substrate misorientation determine the amplitude of the interface roughness and its spatial distribution. In thin Ge/Si heterostructures traces de Ge are observed in the Si cap due to Ge surface segregation. This effect is much reduced by exposing the surface during growth to a flux of atomic hydrogen.