Deposition and characterization of silicon-germanium heterostructures for thermoelectric devices

Germanium and silicon-germanium (SiGe) alloys have attracted the attention of the scientific community in the last two decades in many fields of technological research, such electronics, photonics, spintronics, and more recently energy harvesting. The reason for such revamped interest is the improvements achieved in SiGe growth and fabrication technology, enabling the deposition of high quality epitaxial material and engineered low dimensional structures directly on Si. Indeed the strength of using well-established and low-cost SiGe production techniques is the complete integrability with complementary metal-oxide semiconductor electronics based on Si. In the field of thermoelectricity SiGe can play a primary role. Thermoelectric phenomena involve the direct conversion between thermal and electrical energy. Being solid-state devices with no moving parts, reliable and scalable, thermoelectric devices are presently used in a number of applications for both turning heat into electricity, measuring temperature, and using electricity to produce cooling (Peltier cooling and temperature controllers). Despite the significant scientific progress reported in recent years, one of the crucial issues to be overcome in thermoelectric devices is the relatively low efficiency which characterizes current technology. Indeed in bulk materials the thermoelectric efficiency, defined by the figure of merit ZT, is limited by conflicting parameters. Nevertheless, the use of low dimensional structures such as multilayers has demonstrated the possibility of overcoming these constraints, favouring the enhancement of ZT. Even though the efficiency at room temperature for the best SiGe alloy is substantially lower than that of other materials, the integration with Si-based devices together with the sustainability compared to the rare and often toxic materials used in state-of-the-art thermoelectric modules are key factors for the choice of SiGe. Integrated cooling and energy harvesting modules based on SiGe heterostructures could be coupled to electronic devices, solar cells, and autonomous systems such remote sensors. Several SiGe multilayer structures engineered for the optimization of the electrical or thermal properties, fundamental in defining the thermoelectric efficiency, have been epitaxially deposited by low-energy plasma-enhanced chemical vapour deposition (LEPECVD). This technique is capable of producing, in a reasonable time, high quality material with nanometre-scale control over a range of several microns. Crystal quality and strain control have been investigated by means of high resolution X-ray diffraction (HRXRD) and transmission electron microscopy (TEM). The simulation of the XRD spectra has made it possible to determine the Ge content and thickness for the single layers in the structure, necessary to correlate the thermoelectric measurements with the structural properties of the material. Preliminary thermoelectric characterization is also presented in the thesis, demonstrating the viability of SiGe-based devices as integrated thermoelectric generators.

Il germanio e le leghe silicio-germanio (SiGe) hanno attratto l'interesse della comunità scientifica in settori tecnologicamente strategici quali elettronica, fotonica, spintronica e più in generale risparmio energetico. Il punto di forza di questi materiali è la piena integrabilità con la tecnologia basata sul silicio. Il perfezionamento delle tecniche di crescita epitassiale e di nanofabbricazione ha inoltre permesso a costi relativamente contenuti la realizzazione e quindi lo studio di strutture SiGe a dimensionalità ridotta. Una delle applicazioni in cui le eterostrutture SiGe hanno riscosso notevole interesse negli ultimi anni è la termoelettricità. I materiali termoelettrici hanno la proprietà di convertire differenze di temperatura in differenze di potenziale (effetto Seebeck) e viceversa (effetto Peltier), trovando quali maggiori applicazioni il recupero del calore ad esempio in processi industriali, mezzi di trasporto e dispositivi elettronici e il controllo della temperatura per dispositivi ottici quali LED e laser. L'efficienza di conversione è ad oggi ancora non sufficiente per garantirne la diffusione su larga scala. Il limite principale è costituito dalla figura di merito (ZT) che definisce l'efficienza di un materiale termoelettrico: in materiali bulk, infatti, ZT non può essere ottimizzata in quanto definita da parametri in conflitto e dipende dal materiale utilizzato. Tuttavia, è stato dimostrato come l'utilizzo di strutture a dimensionalità ridotta favorisca la rimozione di questi vincoli aumentando notevolmente l'efficienza. Sebbene le leghe SiGe non siano caratterizzate da un'alta efficienza termoelettrica a temperatura ambiente, l'utilizzo di eterostrutture potrebbe favorirne l'impiego laddove l'integrabilità con il silicio risulta strategica (ad esempio accoppiati a dispositivi elettronici e fotonici). Diverse strutture multistrato SiGe, ingegnerizzate per ottimizzare il trasporto elettrico o quello termico, parametri fondamentali nel definire l'efficienza di un materiale termoelettrico, sono state cresciute mediante tecnica di crescita epitassiale low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition (LEPECVD). Grazie alla tecnica LEPECVD è possibile depositare strati ed eterostrutture SiGe di ottima qualità, spessi diversi micrometri e in tempi ragionevoli. I multistrati e i superreticoli depositati sono stati strutturalmente caratterizzati mediante diffrazione da raggi X ad alta risoluzione (HRXRD) e microscopia a trasmissione elettronica (TEM). In particolare l'analisi XRD assieme a simulazioni dinamiche hanno consentito l'estrapolazione dei parametri strutturali del materiale, quali contenuto di Ge, stato di deformazione e spessori dei singoli strati, necessari per poter meglio interpretare le misure termoelettriche. Nella tesi vengono anche presentati i risultati preliminari circa la caratterizzazione termoelettrica delle eterostrutture, che mostrano come il materiale sia promettente per applicazioni termoelettriche.