Intégration d’oxydes complexes ferroélectriques épitaxiés sur plateforme semiconductrice planaire et nanofil: ingénierie des nanodomaines ferroélectriques – INTENSE

Les ferroélectriques présentent des propriétés fascinantes qui pourraient être mises à profit pour la réalisation de transistors pour la logique faible consommation. Leur fonctionnalité essentielle provient de la possibilité de renverser la polarisation sous l’application d’un champ électrique. Cependant, une telle propriété est loin d’être acquise pour des films ultraminces sur une surface semiconductrice en raison d’un fort champ dépolarisant.
Le projet INTENSE porte sur l’étude des nanodomaines ferroélectriques de l’oxyde complexe BaTiO3, épitaxié sur plateforme semiconductrice (planaire ou nanofil). L’objectif principal est l’étude et le contrôle des conditions permettant d’établir un état polaire bi-stable dans des couches ultraminces (< 50 mailles) et de réaliser l’ingénierie des nanodomaines en vue de leur intégration. Les challenges sont : i) maîtriser la croissance épitaxiale avec l’orientation adéquate malgré des désaccords de maille et thermique importants et malgré l’effet du champ dépolarisant, ii) caractériser à l’échelle nanométrique la structure cristalline et la structure en domaines ferroélectriques fortement inhomogènes. Il s’agira aussi de prendre en compte les phénomènes aux interfaces qui jouent un rôle majeur via des effets ioniques et de relaxation de surface.
Ce projet s’appuient sur les compétences très spécifiques et complémentaires de trois laboratoires académiques (INL, CEMES et IMEP-LAHC): i) croissance MBE et CVD/ALD pour l’intégration monolithique d’oxydes épitaxiés sur semiconducteurs, ii) nanocaractérisation structurale par des techniques poussées de TEM telles que HRTEM, dark holography et imagerie de type High Angle Annular Dark Field, iii) nanocaractérisation électrique et électro-mécanique par techniques avancées de champ proche.
Nous serons les premiers à étudier la ferroélectricité de BaTiO3 sur substrats planaires Si1-xGex (0<x<1) et sur nanofils de Si. Ces deux plateformes sont particulièrement intéressantes pour des dispositifs à effet de champ. La solution solide Si1-xGex permettra de réaliser une ingénierie de contrainte sur les propriétés du ferroélectrique. Pour le travail sur nanofils, nous profiterons de l’expertise acquise dans l’ANR COSCOF sur la croissance tout MBE de structures cœur (Si)/coquille (BaTiO3). <br />Les couches ultraminces de BaTiO3 seront élaborées par CVD sur des templates MBE. La CVD offre une grande flexibilité (oxygénation, exploration de nombreux paramètres, dépôt conforme). La MBE est à ce jour la seule technique qui permet la passivation du semiconducteur par une 1/2 monocouche de Sr ou Ba et la croissance de SrTiO3. Le couplage en ligne de la MBE, CVD/ALD et XPS constituera un ensemble de premier plan pour le développement de nouvelles stratégies de croissance. Notre but est de réaliser l’épitaxie directe de SrTiO3 sur Si par ALD/CVD afin d’avoir un process d’intégration monolithique viable industriellement.
Des études structurales détaillées seront réalisées ex situ par des méthodes de TEM très avancées. Nous déterminerons les profils de paramètres de maille à une échelle locale par Geometrical Phase Analysis d’images haute résolution. De plus, à partir de la mesure, résolue à l’échelle atomique, des déplacements cationiques et anioniques locaux, nous pourrons cartographier à une échelle nano l’amplitude et la direction de la polarisation. Cette méthode très puissante permettra de comprendre les mécanismes mis en jeu aux interfaces pour l’écrantage associé au développement d’une polarisation. Le comportement statique et dynamique des domaines sera étudié par microcopie à force atomique en mode piezoélectrique. La nucléation et la propagation des domaines seront étudiées in situ par TEM sous champ électrique. Enfin, nous caractériserons par AFM à l’échelle nano les propriétés électriques des hétérostructures.
Des découvertes majeures à la fois en physique des interfaces ferroélectrique/semiconducteur et en technologie de ces systèmes hétérogènes sont attendues.