Nouvelles stratégies pour la réduction de la densité de dislocations en épitaxie de III-V sur Silicium – FILTER

L’association entre technologie Silicium et semiconducteurs III-V devrait avoir un impact majeur dans les années à venir sur la production grand volume / faible coût de circuits intégrés. Des puces basées sur une technologie photonique-Silicium d’ores et déjà mature et des lasers III-V intégrés devraient bientôt constituer les éléments de base pour la réalisation d’interconnections optiques ou de capteurs de type « lab-on-chip » par exemple. Alors que l’intégration hétérogène, qui consiste à coller le matériau ou le composant III-V à un circuit Silicium, a déjà démontré son potentiel ; une intégration plus directe reste à développer afin d’améliorer le rendement, la densité d’intégration et de réduire le coût des composants.
Dans ce contexte, l’intégration monolithique par épitaxie directe sur Silicium d’hétérostructures III-V de qualité a été étudiée activement au cours de la dernière décennie. Le défi principal à l’heure actuelle est de parvenir à réduire de façon drastique la densité de dislocations traversantes (DDT). Ces défauts de la structure cristalline sont générés à l’interface entre le III-V et le Silicium en raison du très fort désaccord de paramètre de maille, et se propagent au travers des couches épitaxiées, ce qui dégrade sévèrement les performances des composants. Un nombre de travaux considérable a été mené et publié sur ce sujet, et pourtant, les DDT dans ce type de structures restent particulièrement élevées (de l’ordre de 1E9 to 1E10 /cm2 après épitaxie de 1 µm de III-V). Nous proposons dans ce projet d’explorer des voies radicalement nouvelles en termes de design de structure et de stratégie de croissance, avec pour objectif de réduire la DDT en dessous de 1E5 /cm2.
Le concept innovant sous-tendant le projet est d’initier et de favoriser l’interaction entre, d’un côté les dislocations traversantes, et d’autre part d’autres types de défauts cristallins tels les parois d’antiphases ou des réseaux de dislocations d’accommodations pouvant exister aux interfaces de couches spécifiquement dimensionnées. Ces couches intermédiaires peuvent être insérées directement à l’interface III-V / Si ou dans la couche III-V afin de piéger les défauts traversants.
A cet effet, de nouvelles structures et stratégies de croissance seront proposées par le groupe Français grâce à une analyse approfondie par des techniques avancées de microscopie électronique à transmission réalisées par le groupe Allemand. Les progrès réalisés concernant la réduction de DDT seront évalués par la fabrication et caractérisation de lasers qui permettront également de démontrer l’impact du projet. Le matériau III-V étudié au cours du projet sera du GaSb, qui peut directement servir de plateforme pour la réalisation de nombreux composants optoélectroniques dans l’infrarouge. Cependant, les règles de design obtenues par l’analyse détaillée de la microstructure d’échantillons dédiés ainsi que les nouvelles techniques de croissance développées dans le projet pourront être transposées à d’autres matériaux III-V (InP, GaAs, etc) ce qui devrait renforcer l’impact du projet pour de nombreuses applications tels que les télécommunications ou détection de gaz ou molécules entre autres. De plus, le développement de la méthode de microscopie dynamique en trois-dimension proposée dans le projet est en soit un pas important vers une compréhension plus précise de la relation entre microstructure et propriétés du composant, qui pourra être appliquée par la suite à de nombreux autres systèmes de matériaux.