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Photonique sur Silicium à Base de Nanostructures III-V épitaxiées sur Silicium
Contact : alain.le-corre@insa-rennes.fr
Ecole doctorale dont dépend l’unité : Ecole Doctorale Sciences de la Matière Rennes
Mots clés liés au projet :

1

Photonique

2

Silicium

3

Semiconcteurs

4

Epitaxie


Principaux domaines abordés par le projet :

1

Croissance cristalline

2

Nanotechnologie

3

Diffraction des Rayons X

4

Opto-électronique


Résumé du projet : La principale motivation de ce projet de thèse est de développer une zone optiquement active sur substrat de silicium, de manière monolithique et cohérente (sans dislocations). Ceci permettrait une véritable rupture technologique avec la convergence entre les technologies des semi-conducteurs III-V (hautes performances optiques) et celle du silicium, largement utilisée en micro-électronique et en photovoltaïque. Le projet GaPhoSiX vise à réaliser et à caractériser des couches de phosphure de gallium (GaP) sur substrat de silicium (Si). Ce système évite largement la formation de dislocations grâce au faible désaccord de maille GaP/Si. En revanche, la structure cristalline du GaP fondamentalement différente de celle du silicium va engendrer des défauts de type "domaines d'anti-phase" (APD) rédibitoires pour les propriétés optiques [Tag98].

Nous proposons ici de développer une méthode relativement rapide en utilisant principalement la diffraction des rayons X (DRX), pour caractériser d'une part les APD, mais aussi les défauts classiques de croissance (dislocations, fautes d'empilements et micro-macles du cristal). Ceci permettra d'optimiser la croissance des structures de GaP/Si pour obtenir en fin de projet, des émetteurs de lumière à base de puits quantiques de GaAsP/GaP/Si ou d’alliages GaPN.

Le projet s’appuie sur un nouveau système constitué d’un bâti de LPCVD (croissance du Silicium) relié sous vide à un bâti de MBE (croissance de matériaux III-V). Les croissances envisagées comporteront une première étape de croissance d’une couche tampon de silicium [Gras09], une deuxième étape de croissance de GaP couche par couche, pour éviter les fautes d’empilement et micro-macles et enfin une dernière étape de croissance conventionnelle de GaP dont le but est d’annihiler les APD [Nem08]. Le bon déroulement de la croissance sera également contrôlé in situ par RHEED. Pour finir, la croissance de zones actives sera proposée sur ces pseudo-substrats de GaP/Si. L’influence des défauts d’anti-phase sur l’efficacité de ces zones actives sera étudiée par des calculs atomistiques ab initio.

L’optimisation de la croissance sera facilitée par des retours constants des caractérisations ex situ AFM, EPD, SEM, TEM et diffusion des rayons X. Nous proposons en particulier de réaliser tout d'abord des mesures de diffraction des rayons X (DRX) de type théta/2théta et « rocking curves » sur la réflexion (004) en complément des mesures AFM de manière à sélectionner les échantillons présentant une faible densité de défauts cristallins majeurs (dislocations, trous, fautes d’empilement, micro-macles…). Dans un second temps l’étude comparée des raies faibles (002) et (006) et de la raie forte (004) permettra de révéler la présence d’APD, les raies faibles y étant spécifiquement sensibles [Neu86]. Ce point précis constitue un des aspects les plus novateurs du projet. A ces mesures de haute précision s'ajoute des simulations poussées des diagrammes DRX. Des résultats préliminaires très prometteurs ont été obtenus sur ce point.

Pour finir, ce projet devrait permettre d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le développement de composants optiques sur silicium.

Le candidat doctorant devra coordonner et mener une grande partie des activités de préparation des échantillons, de croissance et de caractérisation afin de réaliser des couches GaP(N)/Si de très grandes qualités structurales et optiques. Ceci se fera en lien avec les simulations et les caractérisations des propriétés optiques réalisées.

Références :

[Gras09] T. J. Grassman et al., Appl. Phys. Lett. 94, 232106 (2009).

[Nem08] I. Németh et al., J. Cryst. Growth 310, 1595 (2008).

[Neu86] Neumann et al., J. Appl. Phys. 61 (3) p. 1023 (1986).

[Tag98] Y. Takagi et al., J. Cryst. Growth 187, 42 (1998).

Contexte scientifique et partenarial : Le silicium est devenu le constituant majeur des dispositifs utilisés en microélectronique. La réduction constante des dimensions caractéristiques rend problématique l’utilisation des interconnexions métalliques. Une des solutions est l’usage d’interconnexions optiques [Ree04]. La source laser performante sur silicium n’existe cependant pas encore. Le silicium présente en effet de piètres propriétés optiques du fait de sa bande interdite indirecte. Pour y remédier la croissance hétérogène de III-V sur Si a été proposée dés les années 1980 [Fan90]. Cette approche permet d’allier les avantages de la bande interdite directe des III-V avec ceux de la technologie silicium. Néanmoins l’obtention de performances durables implique la réalisation de couches d’interface avec le minimum de défauts.

Ces défauts proviennent entre autres i) du désaccord de maille et des différences de coefficients de dilatation thermique ii) des différences fondamentales de structures entre le III-V et silicium.

Concernant le 1er point, les efforts réalisés pour limiter la formation de dislocations (couche métamorphique Si/Ge) n’évitent pas cependant une dégradation rapide des performances. [Ega94] Une autre approche a été choisie au laboratoire avec l’intégration d’une couche III-V de GaP, presque en accord de maille sur Si. Des boîtes quantiques InP/GaP [Guo08] et des multi-puits quantiques GaAsP/GaP ont été élaborés sur GaP [Bon08] avec la réalisation d’un diode électroluminescente. Ce même type de couches sera élaboré de manière monolithique sur Si. Dans le même temps, l’université Philipps de Marburg (Allemagne) a développé des multi-puits quantiques Ga(NAsP) sur GaP à bande interdite directe avec l’optention d’un laser pompé électriquement [Kun06].

La formation de défauts de type ii) (APD) est liée à la présence à la surface du silicium de monomarches atomiques. Et il a été démontré que la croissance sur surface vicinale Si(001) avec un angle de coupe de l’ordre de 4° permettait de favoriser la formation de bimarches et donc d’éviter la formation d’APD [Tag98].

Ce projet s’insère parfaitement dans la stratégie de notre laboratoire en parallèle avec le projet PONENT (financement par la région Bretagne de 600000 euros pour l’achat d’un bâti LP-CVD Si/Ge). Nous développons des collaborations avec les laboratoires SCR (Sciences Chimiques de Rennes), le SPCTS (Limoges) et le LPEC du Mans pour réaliser des caractérisations rayons X et les analyser. Nous développerons également des collaborations avec le CEA-Grenoble pour des caractérisations complémentaires par TEM (Microscopie Electronique en Transmission) avec le CRMCN de Marseille (pour la croissance de Si) et avec l’IMEM (Italie) pour la topographie des rayons X. Enfin nous chercherons entre autres au sein du “pole de compétitivité” Images et Réseaux des partenaires nous permettant de développer des systèmes utilisant les dispositifs que nous aurons élaborés. _______________________

[Bon08] A. Bondi et al., Phys. Stat. Sol. (c) 6, 2212 (2009).

[Ega94] T. Egawa et al. Appl. Phys. Lett. 64, 1404 (1994).

[Faa90] S. Fang et al., J. of Appl. Phys. 68 (7), R31 (1990).

[Guo08] W. Guo et al. Phys. Stat. Sol. (c) 6, 2207 (2009).

[Kun06] B. Kunert et al. Electronic letters 42, 10 (2006).

[Pav00] L. Pavesi et al. Nature 408, 440 (2000).

[Ree04] G. T. Reed, “the optical age of silicon”, Nature 427, 615 (2004).

[Tag98] Y. Takagi et al. J. Cryst. Growth 187, 42 (1998).

Méthodologie : Les croissances envisagées comporteront une première étape de croissance d’une couche tampon de silicium [Gras09], une deuxième étape de croissance de GaP couche par couche (Ga et P alternativement), pour éviter la formation de fautes d’empilement et de micro-macles et enfin une dernière étape de croissance conventionnelle de GaP dont le but est d’annihiler les APD [Nem08]. Le bon déroulement de la croissance sera également contrôlé in situ par RHEED. Pour finir, la croissance de zones actives sera proposée sur ces pseudo-substrats de GaP/Si. L’influence des défauts d’anti-phase sur l’efficacité de ces zones actives sera étudiée par des calculs atomistiques ab initio.

L’optimisation de la croissance sera facilitée par des retours constants des caractérisations ex situ AFM, EPD, SEM, TEM et diffusion des rayons X. Nous proposons en particulier de réaliser tout d'abord des mesures de diffraction des rayons X (DRX) de type théta/2théta et « rocking curves » sur la réflexion (004) en complément des mesures AFM de manière à sélectionner les échantillons présentant une faible densité de défauts cristallins majeurs (dislocations, trous, fautes d’empilement, micro-macles…). Dans un second temps l’étude comparée des raies faibles (002) et (006) et de la raie forte (004) permettra de révéler la présence d’APD. En effet deux domaines adjacents en antiphase sont en phase pour les raies fortes (004) ici et en antiphase pour les raies faibles ce qui fait apparaître des élargissements dont la forme et l’intensité sont révélateurs de la dimension et de la densité moyenne d’APD [Neu86]. Ce point précis constitue un des aspects les plus novateurs du projet. A ces mesures de haute précision s'ajoute des simulations poussées des diagrammes DRX. Des résultats préliminaires très prometteurs ont été obtenus sur ce point.

Le candidat doctorant devra coordonner et mener une grande partie des activités de préparation des échantillons, de croissance et de caractérisation afin de réaliser des couches GaP(N)/Si de très grandes qualités structurales et optiques. Ceci se fera en lien avec les simulations et les caractérisations des propriétés optiques réalisées.

_____________________

[Gras09] T. J. Grassman et al., Appl. Phys. Lett. 94, 232106 (2009).

[Nem08] I. Németh et al., J. Cryst. Growth 310, 1595 (2008).

[Neu86] Neumann et al., J. Appl. Phys. 61 (3) p. 1023 (1986).


Résultats attendus : Le développement d’une zone optiquement active sur silicium serait une avancée majeure pour tous les acteurs industriels et académiques du secteur de la microélectronique et de l’optoélectronique du photovoltaïque. Cela permettrait entre autres d’accélérer considérablement la communication intra puce et puce à puce par le remplacement des interconnexions métalliques. Cela représente un grand nombre d’applications pour la vie courante (ordinateurs, téléphones portable, dispositifs pour la télécommunication…).

A ce jour la réalisation d’une source de lumière efficace n’a pas été démontrée sur silicium. L’intégration monolithique d’une zone active III-V sur silicium, via une couche tampon de GaP est une solution très prometteuse pour allier les propriétés optiques des semiconducteurs III-V avec la technologie très maîtrisée du silicium.

Cette solution a été adoptée par peu de groupes au monde et aucun en France (à notre connaissance). Cependant le nombre croissant de publications sur ce sujet montre qu’il répond aux prioriétés internationales et européennes.

A travers ce projet et cette thèse, l’équipe PhotoniX va renforcer la position de FOTON-INSA dans ce secteur de recherche en développant à la fois des procédés de croissance et des méthodes de caractérisation novatrices (en particulier par diffraction des rayons X) pour les hétérostructures III-V sur Si. L’obtention de couches optimales au niveau structural devrait permettre de réaliser ensuite des dispositifs (DEL, laser, cellule photovoltaïque ou autres composants optiques…) au sein même du laboratoire ou en partenariat.



L’équipe s’attachera à valoriser les résultats obtenus par des publications à fort impact et des communications en conférences internationales.

Cette communication sera également dirigée vers les partenaires locaux (au sein de la région) ou le cas échéant au niveau national ou européen, de manière à trouver rapidement des partenaires potentiels pour développer des applications au niveau technologique final et commercial. De tels partenaires seront entre autres recherchés au sein du pôle de compétitivité Images & réseaux qui regroupe les acteurs régionaux du secteur des STIC.

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