Patterning of metastable epitaxial films of SiGe on Ge for direct band gap induction in Ge

The goal of this master’s thesis work is to induce a tensile strain in germanium using silicon-germanium alloy (SiGe) stripes as stressors, in order to modify the band structure in a way which leads to a direct fundamental gap. I explain the path taken towards the goal, which starts from the sudy and characterization of SiGe films and passes through fabrication steps to ends with the comments on structural analysis of specimens. XRD (X-Ray Diffraction) analysis was performed on SiGe films to deduce composition, thickness and plastic relaxation. A simplified numerical model based on that of Fischer and Zaumseil was used to describe experimental results, because the equilibrium critical thickness reported in literature has been exceeded. Fabrication steps of stressors are illustrated, including cleaning, wet and dry etching and lithography steps. Furthermore, wet etching processes based on KOH (potassium hydroxide) solutions were tuned in order to obtain suspended SiGe/Ge structures with high quality surfaces at high etch rate. The achievement of over 4% uniaxial tensile strain in Ge is confirmed by μRaman analysis.

Lo scopo di questo lavoro di tesi di laurea magistrale é quello di indurre uno strain tensile nel germanio, usando delle strisce di una lega silicio-germanio (SiGe) come stressori, con lo scopo di modidicarne la struttura a bande per ottenere la gap fondamentale diretta. Spiegherò il percorso intrapreso per raggiungere lo scopo, il quale inizia con lo studio e la caratterizzazione dei film di SiGe e termina con il commento alle analisi strutturali sui campioni, passando per i processi di fabbricazione. Sono state eseguite delle analisi XRD (X-Ray Diffraction) sui film di SiGe per dedurne la composizione, lo spessore ed il rilassamento plastico. É stato utilizzato un modello numerico semplificato per poter descrivere i risultati sperimentali ottenuti, modello che é basato su quello di Fischer e Zaumseil, in quanto i valori degli spessori critici di equilibrio riportati in letteratura sono stati oltrepassati. Saranno illustrati i processi di fabbricazione, inclusi quelli di pulizia, sia quelli wet che di dry etching e quelli litografici. Inoltre, sono stati ottimizzati dei processi di etching chimico basato su di una soluzione di KOH (idrossido di potassio), per poter ottenere delle strutture SiGe/Ge che siano sospese. Strutture che devono presentare una elevata qualitá delle superfici, mentre la soluzione una elevata velocitá di attacco. Infine viene confermato l’ottenimento di un valore dello strain tensile nel Ge superiore al 4%, mediante analisi μRaman.