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Micro et nanotechnologies pour l’information et la communication (DS0710)
Edition 2015


BIOMAN


BIsmuth pOur Matériaux semiconducteurs à base d’ANtimoniures

BIOMAN - BIsmuth pOur Matériaux semiconducteurs à base d’Antimoniures
Ce projet concerne l’étude de l’utilisation de l’atome de Bismuth pour la réalisation de composants à base de matériaux antimoniures par épitaxie par jets moléculaires (EJM).

Enjeux et objectifs
Les semiconducteurs III-V antimoniures sont le système de matériaux comprenant GaSb, AlSb, InAs et leurs alliages, tels que GaInAsSb et AlGaAsSb par exemple. Ces matériaux ont des propriétés uniques en termes d’énergie de bande interdite, de décalage de bande ou de masse effective des porteurs, les rendant particulièrement adaptés pour la réalisation de composants électroniques rapides et de basse consommation, ainsi que de lasers et photodetecteurs dans l’infrarouge. Le Bismuth est un atome de la colonne V pouvant de fait être incorporé dans un cristal de semiconducteur III-V. C’est aussi un atome particulier, du fait de sa taille notamment qui permet son utilisation comme surfactant, c’est-à-dire que bien que non incorporé, sa présence modifie de manière positive l’incorporation et l’arrangement des autres atomes dans le cristal. Bien que relativement bien étudié dans le cas des arseniures (GaAs, AlAs, etc…), l’utilisation du Bismuth avec les antimoniures est beaucoup moins développée. On dénombre seulement une dizaine d’articles dans la littérature traitant du sujet, et de nombreux développements sont encore nécessaires avant que soit pleinement exploités les possibilités offertes par son utilisation. Celles-ci sont néanmoins très importantes, et concernent aussi bien le design des composants, que la modification des propriétés de transport ou bien la possibilité de dépasser les limites actuelles en termes de dopage de type n des matériaux antimoniures.

Méthodes / Approches
L’incorporation et l’effet surfactant du Bismuth dans les antimoniures réalisés par EJM seront étudiés et la démonstration des avantages apportés par cet atome pour cette famille de matériaux sera assurée par la réalisation de nouvelles sources lasers émettant dans la gamme 3.5 à 5 µm, le dépassement des limites actuelles de dopage type-n dans GaSb et InAsSb, ainsi qu’une amélioration très significative de la durée de vie des porteurs minoritaires dans les photodétecteurs à superréseaux InAs/GaSb grâce à une diminution drastique de la densité de défauts natifs.

Résultats

- Les fenêtres de conditions de croissance permettant d’incorporer le Bi ou de l’utiliser comme surfactant avec GaSb sont à présent connues. - Une incorporation record de 14% de Bi a été obtenue dans GaSb. - Des conditions de croissance pour réaliser des puits quantiques GaSbBi/GaSb ont été trouvées et ont permis de réaliser des puits homogènes de différentes compositions et épaisseurs. - Un laser émettant à 2.7 µm a été réalisé et fonctionne en pulsé à température ambiante, ce qui constitue une première avec ce type d’alliage.

Perspectives

A la fin du projet, nous souhaitons que la croissance de matériaux antimoniures contenant du Bi soit parfaitement développée, et les bénéfices démontrés par des véhicules tests sélectionnés.

Productions scientifiques et brevets

1. O. Delorme, L. Cerutti, E. Tournié and JB. Rodriguez, « Molecular beam epitaxy of high content GaSbBi alloys », Journal of Crystal Growth, in press, corrected proof, Available online 30 March 2017, https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.03.048 2. O. Delorme, L. Cerutti, E. Luna, G. Narcy, A. Trampert, E. Tournié and JB. Rodriguez, GaSbBi/GaSb quantum well laser diodes », Applied Physics Letters 110, 222106 (2017), http://dx.doi.org/10.1063/1.4984799

Partenaires

UM Université de Montpellier

Aide de l'ANR 231 920 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2015 - 48 mois

Résumé de soumission

Ce projet concerne l’étude de l’utilisation de l’atome de Bismuth pour la réalisation de composants à base de matériaux antimoniures par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Les semiconducteurs III-V antimoniures sont le système de matériaux comprenant GaSb, AlSb, InAs et leurs alliages, tels que GaInAsSb et AlGaAsSb par exemple. Ces matériaux ont des propriétés uniques en termes d’énergie de bande interdite, de décalage de bande ou de masse effective des porteurs, les rendant particulièrement adaptés pour la réalisation de composants électroniques rapides et de basse consommation, ainsi que de lasers et photodetecteurs dans l’infrarouge. Le Bismuth est un atome de la colonne V pouvant de fait être incorporé dans un cristal de semiconducteur III-V. C’est aussi un atome particulier, du fait de sa taille notamment qui permet son utilisation comme surfactant, c’est-à-dire que bien que non incorporé, sa présence modifie de manière positive l’incorporation et l’arrangement des autres atomes dans le cristal. Bien que relativement bien étudié dans le cas des arseniures (GaAs, AlAs, etc…), l’utilisation du Bismuth avec les antimoniures est beaucoup moins développée. On dénombre seulement une dizaine d’articles dans la littérature traitant du sujet, et de nombreux développements sont encore nécessaires avant que soit pleinement exploités les possibilités offertes par son utilisation. Celles-ci sont néanmoins très importantes, et concernent aussi bien le design des composants, que la modification des propriétés de transport ou bien la possibilité de dépasser les limites actuelles en termes de dopage de type n des matériaux antimoniures. Ce sont les principales motivations de ce projet, qui propose d’étudier ce thème prometteur de la fabrication du matériau à la réalisation de nouveaux composants optoélectroniques. L’incorporation et l’effet surfactant du Bismuth dans les antimoniures seront étudiés et la démonstration des avantages apportés par cet atome pour cette famille de matériaux sera assurée par la réalisation de nouvelles sources lasers émettant dans la gamme 3.5 à 5 µm, le dépassement des limites actuelles de dopage type-n dans GaSb et InAsSb, ainsi qu’une amélioration très significative de la durée de vie des porteurs minoritaires dans les photodétecteurs à superréseaux InAs/GaSb grâce à une diminution drastique de la densité de défauts natifs. Une méthode originale de caractérisation in-situ sera également développée durant ce projet (la spectroscopie de masse de l’antimoine désorbé), afin d’analyser en temps réel l’incorporation du Bismuth dans nos couches. Bien que cette technique ait déjà été utilisée en EJM pour d’autres raisons, son utilisation pour l’étude et le contrôle de l’incorporation du Bismuth n’a encore jamais été reportée. Ce projet est donc particulièrement novateur, puisqu’il propose d’étudier un thème peu abordé jusqu’à présent, mais à fort impact potentiel. Aucun projet comparable n’existe au niveau national (bien que des études semblables soient menées dans les arseniures) et un seul laboratoire Européen (Université de Chalmers) a, à ce jour, publié des résultats préliminaires sur le sujet. Ce projet est en accord avec les critères relatifs à un JCJC : le porteur est un jeune chercheur du groupe NANOMIR de l’IES, et bien que ce groupe ait de nombreuses années d’expérience dans l’EJM des antimoniures et les composants optoélectroniques associés, l’utilisation de Bismuth sera néanmoins bel et bien une toute nouvelle thématique pour ce groupe.

 

Programme ANR : Micro et nanotechnologies pour l’information et la communication (DS0710) 2015

Référence projet : ANR-15-CE24-0001

Coordinateur du projet :
Monsieur Jean-Baptiste Rodriguez (Université de Montpellier)

 

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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.