Raman spectroscopy and photoluminescence techniques for stress characterization in silicon, germanium and gallium arsenide semiconductors structures - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Raman spectroscopy and photoluminescence techniques for stress characterization in silicon, germanium and gallium arsenide semiconductors structures

Applications de la spectroscopie Raman et photoluminescence polarimétriques à la caractérisation des contraintes dans les structures semi-conductrices à base de silicium, germanium et d'arséniure de gallium

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Abstract

Nowadays, the increase in performance and the reduction of the dimensions of the microelectronics or optical components integrated in electronics or optronics systems requires non-destructive characterization techniques, capable of probing micro and nano-objects. In this context, Raman spectroscopy and photoluminescence techniques represent characterization tools capable of analyzing locally the mechanical strain, introduced into actual semiconductor devices in order to boost their performance. This PhD thesis work aimed at two objectives, enlarging the capabilities of the polarimetric Raman spectrometer including the addition of a luminescence detection system and applying the developed techniques and methodologies to characterize strain in silicon-, germanium- and gallium-arsenide-based semiconductors structures. After an experimental study of the pertinent system parameters such as depolarization, retardation and dichroïsm necessary for combining a conventional Raman spectrometer with a polarimeter, we showed that the calibration of the system depends on the excitation source wavelength, as well as on the nature of the scattered light (Raman or Rayleigh). From applications viewpoint, we measured mechanical strain in silicon nanostripes (15 nm thick) and germanium microstripes by using previously developed measurement methodology. The results obtained were analytically modeled to highlight the physics of the observed phenomena. Thus, we showed that it is possible to enhance the Raman signal in the silicon nanostripes through appropriate polarization control of incident and scattered radiations. The implementation of the photoluminescence technique with control of the polarization states, in addition to Raman spectroscopy, allowed us to extend the range of mechanical strain measurements in semiconductor structures. Actually, by using this technique we are capable of measuring residual stresses of the order of 20 MPa which is beyond the capability of conventional Raman spectroscopy being essentially limited by the spectral resolution.
De nos jours, l'augmentation des performances et la réduction des dimensions des composants microélectroniques ou optiques constituant les systèmes électroniques ou optroniques nécessite des techniques de caractérisation non destructrices, capables de sonder des micro- et nanoobjets. C'est dans cette optique que s'inscrivent les techniques de spectroscopie Raman et photoluminescence, capables de caractériser localement les contraintes mécaniques, introduites dans les dispositifs à semi-conducteurs actuels afin d'accroître leurs performances. Ce travail de thèse aborde deux objectifs, l'élargissement des capacités du spectromètre Raman polarimétrique comprenant l'ajout d'un module de détection du signal de luminescence et l'application des techniques et méthodologies développées à la caractérisation des contraintes dans des structures semiconductrices à base de silicium, germanium et arséniure de gallium. Après une étude expérimentale des paramètres pertinents, la dépolarisation, le retard et le dichroïsme, nécessaire afin de combiner le spectromètre Raman " classique " et un polarimètre, nous avons montré que l'étalonnage d'un tel système dépend de la longueur d'onde de la source d'excitation, ainsi que de la nature de la diffusion considérée (Raman ou Rayleigh). Au titre des applications de la technique, nous avons mesuré des contraintes mécaniques dans des nanolignes de silicium (15 nm d'épaisseur) et des microlignes de germanium grâce à la méthodologie de mesure développée. Les résultats obtenus ont été également modélisés analytiquement afin de mettre en évidence la physique des phénomènes observés. Ainsi, nous avons montré qu'il est possible d'amplifier le signal Raman dans les nanolignes de silicium grâce à la gestion appropriée des polarisations des rayonnements incident et diffusé. La mise en place de la technique de photoluminescence avec le contrôle des états de polarisation, rajoutée à la spectroscopie Raman, nous a permis d'étendre le champ de mesure des contraintes mécaniques dans les structures semiconductrices. Actuellement, grâce à cette technique, nous sommes capables de mesurer des efforts résiduels de l'ordre de 20 MPa, ce qui est au-delà des capacités de la spectroscopie Raman " conventionnelle " essentiellement limitée par la résolution spectrale.
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Dates and versions

pastel-00985208 , version 1 (29-04-2014)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00985208 , version 1

Cite

Gerald Ndong. Applications de la spectroscopie Raman et photoluminescence polarimétriques à la caractérisation des contraintes dans les structures semi-conductrices à base de silicium, germanium et d'arséniure de gallium. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique X, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00985208⟩
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