Low temperature epitaxial growth and characterization of germanium thin films

Given that silicon is the most widely used semiconductor in electronics, it is essential to investigate the integration of other semiconductors, such as germanium, with the objective of improving performances and functionalities of silicon-based technologies. A number of emerging technologies are currently being developed requiring the epitaxial growth of high-quality and flat-surface germanium films on crystalline silicon substrates. In order to achieve this optimum material and to overcome the issue of the high growth temperature (which is not compatible with back-end-of-line CMOS technology), a low-temperature deposition is required. The purpose of this thesis work is therefore to investigate the low-temperature epitaxial growth of germanium thin films (from 200°C up to 350°C) and to analyse their properties through structural, morphological and electro-optical characterization. All samples reported in this thesis have been grown at LNESS by low-energy plasma-enhanced chemical vapour deposition. The experimental results demonstrate that low-temperature ultra-thin germanium epilayers (with a thickness of approximately 10 nm) exhibit a good crystalline quality. As the thickness increases, the amorphous phase is nucleated in the germanium epilayer, with this occurring sooner for samples grown at lower temperatures (200°C and 250°C), and this has a detrimental impact on sample quality. Finally, a photodetector based on the low-temperature germanium was fabricated and then the related responsivity was measured, showing a good optical response.

Poiché il silicio è il semiconduttore più utilizzato in elettronica, è essenziale studiare l'integrazione di altri semiconduttori, come il germanio, con l'obiettivo di migliorare le prestazioni e le funzionalità delle tecnologie basate sul silicio. Attualmente sono in fase di sviluppo diverse tecnologie emergenti che richiedono la crescita epitassiale di film di germanio di alta qualità e a superficie piana su substrati di silicio cristallino. Per ottenere questo materiale ottimale e per superare il problema dell'alta temperatura di crescita (non compatibile con la tecnologia CMOS back-end-line), è necessaria una deposizione a bassa temperatura. Lo scopo di questo lavoro di tesi è, pertanto, quello di studiare la crescita epitassiale a bassa temperatura di film sottili di germanio (da 200°C a 350°C) e di analizzarne le proprietà attraverso la caratterizzazione strutturale, morfologica ed elettro-ottica. Tutti i campioni analizzati sono stati cresciuti presso il laboratorio LNESS mediante deposizione chimica da vapore potenziata da plasma a bassa energia. I risultati sperimentali dimostrano che i film di germanio ultrasottili, cresciuti a bassa temperatura, (con uno spessore di circa 10 nm) presentano una buona qualità cristallina. Con l'aumento dello spessore, la fase amorfa viene nucleata nel film epitassiale di germanio, e ciò avviene prima per i campioni cresciuti a temperature più basse (200°C e 250°C), con un impatto negativo sulla qualità del campione. Infine, è stato fabbricato un fotorivelatore di germanio a bassa temperatura e ne è stata calcolata la responsività, mostrando una buona risposta ottica.