Dispositifs RF optoélectroniques à base de PtSe2 – BIRDS

Le projet intègre toutes les étapes d’une réalisation de dispositif optoélectronique depuis la synthèse du matériau jusqu’à la démonstration du dispositif fonctionnel en passant par la nano-fabrication et les caractérisations optiques et électriques. Chaque brique technologique utilise des techniques originales et avancées : (i) les matériaux PtSe2/PdSe2, qui sont des DCMT étudiés récemment et présentant une bande interdite ajustable entre 1,2/1,3 eV (monocouche) et 0/0,15 eV (multi-couches), la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et par implantation ionique permettant le contrôle d’une à quelques monocouches, (ii) la maitrise des hétérostructures de van der Waals qui permettent d’encapsuler le DCMT entre deux couches de graphène, (iii) la caractérisation des dispositifs poussée dans le domaine optique entre 0,5 et 10 µm et dans le domaine électrique jusqu’à 67 GHz, (iv) enfin des architectures planaires et verticales exploitant le caractère 2D du matériau.

Les résultats comprennent les études de synthèse de PtSe2 & PdSe2 et la démonstration de composants basés sur PdSe2.
La synthèse de PtSe2 a été étudiée dans un premier temps par une méthode originale: l'implantation ionique. Cette méthode nous a permis d'implanter dans un substrat de saphir monocristallin l'équivalent de 5 monocouches de PtSe2 à une profondeur moyenne d'environ 20 nm. Les substrats sont alors recuits afin d'induire la cristallisation de couches de PtSe2 enterrées. Ces couches présentent alors un spectre Raman très similaire à celui du PtSe2 exfolié. L'analyse de vues en coupe par microcopie électronique à transmission (MET) montre que nous obtenons des cristallites orientées aléatoirement et dont le nombre de couches varie.
La synthèse de PtSe2 a également été étudiée par épitaxie par jets moléculaires sur substrat de saphir (0001). Après optimisation des conditions de croissance, nous obtenons des monocouches de PtSe2 parallèles au substrat comme le montre les vues MET en coupe. Le spectre Raman montre les pics caractéristiques du PtSe2 avec une largeur à mi-hauteur des pics Eg et A1g de 3,5 cm-1, qui est inférieure aux valeurs publiées.
Des nanofeuillets de PdSe2 ont aussi été obtenus par exfoliation. Des transistors MOSFET à base de PdSe2 ont été intégrés dans des lignes coplanaires 50 Ohms. La partie active du transistor comprend une grille arrière en or, une couche isolante de nitrure de Bore hexagonal de 30-40 nm d’épaisseur et un nanofeuillet de PdSe2. Des transistors avec de «fines« couches de PdSe2 (= 20 nm) et des couches «épaisses« (= 90 nm) ont été étudiés. Les modes inversion-déplétion-accumulation ont été observés avec une profondeur de déplétion de 15 nm. Une mobilité électronique de 110 cm2/V.s a été obtenue à température ambiante.
Le gap du PdSe2 a été déterminé par des mesures de transport (Eg=0.15eV pour PdSe2 > 30nm, gap indirect), et d’optique (Eg=0.4eV, gap direct). La réponse en transport sous fort champ a permis de montrer que la mobilité électronique obtenue est presque intrinsèque et limitée par les phonons optiques du matériau (sur échantillon fin), mais aussi de mettre en évidence l’instabilité thermique du canal sur échantillon épais due à la prolifération des porteurs thermiquement activés. Enfin, les premières explorations expérimentales de photodétection ont été effectuées et résultent d’un effet bolométrique.

Les dispositifs MOSFETs basés sur des structures Métal/h-BN/PdSe2 avec une longueur de canal de 10 µm présentent une fréquence de coupure dans la gamme GHz avec un produit gain-bande passante compétitif par rapport aux composants III-V.

Les perspectives d'application des couches obtenues par implantation ionique sont les absorbants saturables pour les lasers à blocage de mode.
Les couches obtenues par épitaxie par jets moléculaires présentent une très bonne qualité cristalline et des composants optoélectroniques hyperfréquence sont actuellement étudiées par le consortium BIRDS.

Un 1er article a été publié dans la revue 2D Materials.

Les caractéristiques intrinsèques (dopage, gap, mobilité) des matériaux 2D peuvent être largement modifiées par le contrôle de leur épaisseur et de leur environnement (champ électrique, environnement diélectrique). Cette flexibilité est inédite en regard des propriétés de leurs grand-frères massifs et offrent de nouvelles opportunités pour le développement de dispositifs optoélectroniques.

L’objectif global de BIRDS est d’exploiter les propriétés remarquables offertes par certains nouveaux semi-conducteurs 2D, les dichalcogénures de métaux de transition (DCMT), pour l’optoélectronique rapide, avec comme premières démonstrations un photomélangeur 1,55 µm hyperfréquence ainsi qu’un photodétecteur infrarouge large bande (1-10 µm). Les photomélangeurs, qui mixent signaux hyperfréquence et signaux optiques (après photodétection), permettront de développer une nouvelle génération de convertisseurs analogique-numérique pour les futures infrastructures de télécommunication (5G). L’étude approfondie de la photodétection large bande permettra de mieux comprendre les très bonnes photoréponses (4-6 A/W entre 1 et 10 µm) obtenues récemment et de les exploiter dans des dispositifs optimisés.

L’ambition scientifique est d’étendre les performances spectrales des détecteurs optiques à base de DCMT au-delà de la limite naturelle de 1µm liée aux bandes interdites usuelles de ces matériaux (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2,...). L’objectif est de pousser les performances dans le domaine infrarouge (1.55 µm mais aussi 1-10 µm) où la détection est plus difficile mais les applications plus prometteuses. Deux approches sont étudiées et combinées: l’ingénierie de bande interdite en utilisant un matériau ajustable entre semi-métal et semiconducteur selon l’épaisseur, et l’effet de champ dans des jonctions p-n ou p-i-n planaires et dans une hétérostructure verticale Graphène/PtSe2/Graphène. Pour le dispositif d’étude p-i-n, les jonctions seront contrôlées par des grilles arrière. L’insertion de ces dispositifs dans des lignes hyperfréquence permettra leur caractérisation optoélectronique ultra large bande.

Le projet intègre toutes les étapes d’une réalisation de dispositif optoélectronique depuis la croissance du matériau jusqu’à la démonstration du dispositif fonctionnel en passant par la nano-fabrication et les caractérisations optiques et électriques. Chaque brique technologique utilise des techniques originales et avancées : (i) le matériau PtSe2, qui est un DCMT (semi-métal à l’état massif) étudié récemment et présentant une bande interdite ajustable entre 0,5 eV (PtSe2 épais) et 1,4 eV (monocouche), la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) permettant le contrôle d’une à quelques monocouches, (ii) la technologie de grilles locales arrières récemment démontrée sur le graphène et la maitrise des hétérostructures de van der Waals qui permettent d’encapsuler le DCMT entre deux couches de graphène, (iii) la caractérisation des dispositifs poussée dans le domaine optique entre 0,5 et 10 µm et dans le domaine électrique jusqu’à 67 GHz, (iv) enfin des architectures variées exploitant le caractère 2D du matériau. Le présent projet complète les projets ANR qui, à notre connaissance, étudient les propriétés optoélectroniques des DCMT fonctionnant dans le domaine visible ou qui étudient l’électroluminescence en spins polarisés dans le phosphore noir.

Les objectifs S/T de BIRDS comprennent (i) la synthèse EJM contrôlée de mono/multi feuillets de PtSe2 sur substrat 2 pouces, (ii) une photodiode planaire p-i-n qui servira de plateforme d’étude des mécanismes de génération de photocourant, (iii) une photodiode planaire p-n large bande pour la photodétection 1-10 µm et (iv) une photodiode tricouche pour le photomélange à 30 GHz.