Projet ANR-14-CE26-0014 – ANTIPODE : Analyse approfondie de la nucléation III-V/Si pour les composants photoniques hautement intégrés
Programme : Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques (DS0710) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Charles CORNET (Fonctions optiques pour les technologies de l'information)
Partenaires : Centre d'Élaboration de Matériaux et d'Études Structurales; Centre de Recherche sur l'Hétéroepitaxie et ses Applications; Laboratoire public; Laboratoire public; Institut de Physique de Rennes; Laboratoire public
Montant : 499928.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : 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.