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Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques (DS0710)
Edition 2014


ANTIPODE


Analyse approfondie de la nucléation III-V/Si pour les composants photoniques hautement intégrés

ANTIPODE : Intégration photonique sur silicium, vers la maîtrise de l'interface III-V/Si
ANTIPODE est un projet de recherche fondamentale qui vise à comprendre en profondeur la formation des interfaces entre les semi-conducteurs (SC) III-V et le Si afin de contrôler la génération des défauts lors de la croissance épitaxiale. Le projet propose d'étudier trois matériaux SC III-V, non seulement parce qu'ils sont tous pertinents pour les applications photoniques (de l'UV à IR), mais aussi car ils permettent d’explorer des couches en compression, en tension et en quasi-accord de maille.

Intégration monolithique : la question de l'interface
Le 10 Décembre 2012, IBM a annoncé une véritable rupture technologique : l'intégration de différents composants optiques côte-à-côte avec des circuits électriques sur une seule puce de silicium et avec une technologie 90 nm. Toutefois, le développement de sources laser sur puce est toujours une partie limitante dans ce schéma d'intégration. Pour augmenter le niveau d'intégration de la photonique à moyen terme, l'une des voies les plus prometteuses en terme de performances et de rentabilité est de réaliser l'épitaxie directe de semi-conducteurs III-V sur la puce de silicium. Cette idée a été largement étudiée dans le début des années 80, et a été revisitée récemment par trois laboratoires français qui ont démontré des fonctionnalités optiques avancées ou des émetteurs sur silicium à base de GaSb/AlSb (IES Montpellier), GaP/AlP (FOTON Rennes) ou GaN/AIN (au CRHEA Valbonne) sur silicium. A partir de leurs précédentes expériences, IES, FOTON et CRHEA font le même constat: la qualité générale des matériaux III-V/Si est entièrement déterminée par la qualité de l'interface, c'est à dire par la surface initiale de Si, et les premières monocouches III-V.

Le projet ANTIPODE a les trois objectifs suivants:
- Compréhension du mécanisme de nucléation 3D des semi-conducteurs III-V (y compris la génération de défauts au cours de la coalescence) et de la relaxation des contraintes sur silicium.
– Compréhension de la nature et du rôle des charges d'interface sur la génération des défauts.
- Compréhension de l'influence de la surface initiale du silicium sur la génération des défauts.

Des concepts physiques obtenus à partir de la croissance, de la modélisation et de la microscopie
Ce projet, principalement dédié à l’analyse des défauts de croissance hétérogène par des caractérisations et des outils de modélisation, vise à fournir une compréhension unifiée de la formation des interfaces III-V/Si et de leurs propriétés électroniques.
Les partenaires du projet étudient les étapes initiales de la nucléation III-V/Si par MBE. À cette fin, ils bénéficient de la grande expérience en croissance épitaxiale développée dans les laboratoires IES(III-Sb/Si), FOTON (III-P/Si) et au CRHEA (III-N/Si). Ils bénéficient également du contrôle de la surface initiale de silicium (cluster de croissance UHVCVD(Si)–MBE(III-V)), des caractérisations électroniques et structurales à l'état de l'art disponibles dans trois laboratoires reconnus dans le domaine, comme les techniques de HRTEM ou STEM-HAADF disponibles au CEMES-Toulouse ou au LPN-Marcoussis, de la DRX synchrotron ou du STM-BEEM développé à l’IPR-Rennes et d’un soutien théorique (relaxations atomiques et DFT, dipoles d'interface).

Résultats

Le projet a permis de mettre en évidence quelques différences fondamentales entre les différents matériaux, mais aussi de grandes similarités sur certains points en relation avec les trois objectifs initiaux du projet :
-Mise en évidence de l’aspect prépondérant de la préparation de surface du Si avant épitaxie III-V/Si, et rôle des clusters de carbone.
-Observations STM de l’évolution de la morphologie de surface de GaP/Si(001) lors des premiers stades de croissance : identification de différentes familles de facettes cristallines sommitales sur substrat nominal ou vicinal (en particulier absence de facettes (001) sur substrat vicinal).
-Caractérisation des interfaces III-P, III-Sb et III-N/Si à l’échelle atomique
-Explication de la nucléation 2D/3D sur les différents systèmes matériaux, par les énergies de surface et d’interface. Confrontation aux calculs DFT, analyses TEM et STM.
-Mise en évidence de l’influence de la coalescence dans la génération de défauts, et interactions parois de domaines / marqueurs

Perspectives

Le projet ANTIPODE a pour l'instant permis de faire émerger de grandes similarités entre les différents matériaux sur certains points. Ces ressemblances claires ont permis de faire émerger certains concepts généraux (nucléation 2D/3D, interactions défauts/marqueurs, influence de la vicinalité et de l'orientation du substrat, etc ...) qu'il reste maintenant à regrouper dans un cadre théorisé et unifié. Ce cadre devrait ensuite permettre de comprendre le démarrage des croissance cristallines III-V/Si qu'elles soient par MBE ou par MOCVD, et de proposer des améliorations issues de ces modélisations. C'est l'objectif des membres du projet ANTIPODE, qui peut donc servir à l'ensemble de la communauté travaillant sur l'intégration photonique monolithique III-V/Si.

Productions scientifiques et brevets

-P. Guillemé et al., “Antiphase domain tailoring for combination of modal and 4 ¯-quasi-phase matching in gallium phosphide microdisks” Optics Express, Vol. 24, no. 13, 14608 (2016).(FOTON, CEMES)
-J.B. Rodriguez et al., X-ray diffraction study of GaSb grown by molecular beam epitaxy on silicon substrates, J. Cryst. Growth 439, 33 (2016) (IES).
-Y. Ping Wang et al. “Abrupt GaP/Si hetero-interface using bistepped Si buffer”, Applied Physics Letters 107, 191603 (2015). (FOTON,LPN, CEMES)
-J.B. Rodriguez et al., GaSb grown by molecular beam epitaxy on silicon substrates, 19th Int. Conf. On Molecular-beam Epitaxy, 4 – 9 Septembre 2016, Montpellier, France (IES,LPN).
-S. Charbonnier et al., “Scanning tunneling microscopy investigation of GaP MBE growth on nominal and vicinal Si(001) substrates for optoelectronic applications.”, Poster at IC-MBE 2016, Montpellier, France, 4 September-9 September 2016.(IPR,FOTON)
-M. Vallet et al., “Role of marker layers on antiphase domains in GaP/Si heterostructures”, Talk at “Extended Defects in Semiconductors” (EDS) Conference, Les Issambres, France, 25-29 sept. 2016.(CEMES, FOTON, LPN)
-I. Lucci et al. «Relationship between antiphase domains, roughness and surface/interface energies during the epitaxial growth of GaP on Si. « Poster at EMRS 2016, Lille, France, 2-6 May 2016.(FOTON, IPR, LPN, CEMES)
-S. Charbonnier et al. «Scanning tunneling microscopy investigation of GaP epitaxial growth on nominal and vicinal Si(001) substrates for optoelectronic applications. « Poster at EMRS 2016, Lille, France, 2-6 May 2016.(IPR, FOTON)
-I. Lucci et al.« 3D GaP/Si(001) growth mode and antiphase boundaries.« Talk at IC-MBE 2016, Montpellier, France, 4-9 September 2016. (FOTON, IPR, CEMES, LPN)
-C. Cornet et al. “(In)GaP integration on Si for photonics and energy”, Invited talk at the EMRS Fall meeting, Warsaw, Poland, 15-18 September 2015. (FOTON, LPN)

Partenaires

CEMES Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales

CNRS CRHEA Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie et ses applications

FOTON Fonctions optiques pour les technologies de l'information

IES Institut d'Electronique du Sud

IPR Institut de Physique de Rennes

LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures

LPN (CNRS DR IDF SUD) Laboratoire de Photonique et Nanostructures

Aide de l'ANR 499 928 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

ANTIPODE est un projet de recherche fondamentale qui vise à comprendre en profondeur la formation des interfaces entre les semi-conducteurs III-V et le Si afin de contrôler la génération de défauts lors de la croissance épitaxiale. Le projet propose d'étudier trois matériaux semi-conducteurs III-V, non seulement parce qu'ils sont tous très pertinents pour les applications photoniques (de l'UV à IR), mais aussi parce qu'ils permettent d’explorer des couches de nucléation en compression, en tension et en quasi-accord de maille. Bien que tout à fait différents, ces trois matériaux semi-conducteurs présentent le même mode de croissance 3D au cours de la phase de nucléation sur des substrats de silicium. Ce projet, principalement dédié à l’analyse des défauts de croissance hétérogène par des caractérisations et des outils de modélisation, vise à fournir une compréhension unifiée de la formation des interfaces III-V/Si et de leurs propriétés électroniques.
En effet, le 10 Décembre 2012, IBM a annoncé une véritable rupture technologique : l'intégration de différents composants optiques côte-à-côte avec des circuits électriques sur une seule puce de silicium et avec une technologie 90 nm. Toutefois, le développement de sources laser sur puce est toujours une partie limitante dans ce schéma d'intégration. Pour augmenter le niveau d'intégration de la photonique à moyen terme, l'une des voies les plus prometteuses en terme de performances et de rentabilité est de réaliser l'épitaxie directe de semi-conducteurs III-V sur la puce de silicium. Cette idée a été largement étudiée dans le début des années 80, où des dispositifs ont été réalisés à un niveau avancé en particulier avec la croissance du GaAs directement sur silicium. Dans ces travaux, les défauts cristallins sont principalement générés à l’hétérointerface III-V/Si et se propagent dans le volume. Cette voie a été revisitée récemment par trois laboratoires français reconnus qui ont démontré des fonctionnalités optiques avancées ou des émetteurs sur silicium à base de GaSb/AlSb (IES Montpellier), GaP/AlP (FOTON Rennes) ou GaN/AIN (au CRHEA Valbonne) sur silicium. L'hétéro-épitaxie de ces matériaux sur silicium au niveau "front-end" serait une solution industrielle très prometteuse, à condition que la zone optiquement active III-V reste très proche de l'interface III-V/Si (typiquement en-dessous de 300 nm) pour augmenter le niveau d'intégration. Dans ce contexte, les stratégies existantes pour limiter la propagation des défauts ne sont plus pertinentes, car elles nécessitent des couches tampon III-V de grande épaisseur. La seule solution possible consiste à contrôler la génération de défauts à l'interface III-V/Si. A partir de leurs précédentes expériences, IES, FOTON et CRHEA font le même constat: la qualité générale des matériaux III-V/Si est entièrement déterminée par la qualité de l'interface, c'est à dire par la surface initiale de Si, et les premières monocouches III-V.
Les partenaires du projet étudieront les étapes initiales de la nucléation III-V/Si par MBE. À cette fin, ils bénéficieront du contrôle de la surface initiale de silicium (cluster de croissance UHVCVD(Si)–MBE(III-V)), des caractérisations électroniques et structurales à l'état de l'art disponibles dans trois laboratoires reconnus internationalement, comme les techniques de HRTEM ou STEM-HAADF disponibles au CEMES-Toulouse ou au LPN-Marcoussis, de la DRX synchrotron ou du STM-BEEM développé à l’IPR-Rennes et d’un soutien théorique (relaxations atomiques et DFT).
Le projet ANTIPODE a les trois objectifs suivants:
OI - Compréhension du mécanisme de nucléation 3D des semi-conducteurs III-V (y compris la génération de défauts au cours de la coalescence) et de la relaxation des contraintes sur silicium.
OII – Compréhension de la nature et du rôle des charges d'interface sur la génération des défauts.
OIII - Compréhension de l'influence de la surface initiale du silicium sur la génération des défauts.

 

Programme ANR : Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques (DS0710) 2014

Référence projet : ANR-14-CE26-0014

Coordinateur du projet :
Monsieur Charles Cornet (Fonctions optiques pour les technologies de l'information)

Site internet du projet : http://foton.cnrs.fr/v2012/spip.php?article1002

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.