Matériaux à base d'alliages pour la photonique : exploration de la réponse diélectrique dans les nanofils du groupe IV – AMPHORE

L'émission de lumière à partir de matériaux du groupe IV représente aujourd’hui le plus grand défi pour l’industrie microélectronique basée sur le silicium. En particulier, au cours des dernières années, le développement rapide des technologies pour le traitement intensif des données a rendu encore plus urgente l’exigence de découvrir un matériau du groupe IV qui soit optiquement actif dans la gamme spectrale des télécommunications (1.3-1.8 µm). De nombreuses stratégies ont été proposées pour atteindre ce but. L'idée principale de ces approches est de fabriquer un matériau à bande interdite directe tout en préservant sa compatibilité avec l'électronique CMOS. Dans ce contexte, la manipulation des propriétés de semi-conducteurs par réduction de taille et par alliage représente l'une des voies les plus utilisées. Parmi la variété des matériaux étudiés, les nanofils d’alliage Si1-xGex avec une phase hexagonale (2H-Si1-xGex NFs) sont très prometteurs en raison de leurs caractéristiques optiques et de leur facilité de fabrication. En effet, bien que le 2H-Si massif ne soit stable qu'à des pressions supérieures à 12 GPa, des études récentes ont démontré qu'à l'échelle nanométrique, les cristaux de 2H-SiGe peuvent exister sous forme de nanofils. Le principal intérêt dans la fabrication de ces nanostructures réside dans la possibilité de combiner un semi-conducteur à gap indirect (2H-Si) avec un semi-conducteur direct (2H-Ge) afin de trouver la composition optimale pour créer un matériau émetteur de lumière. En effet, comme récemment confirmé par des mesures de photoluminescence, l'augmentation de la concentration de Ge dans le 2H-Si abaisse le minimum de la bande de conduction jusqu'à ce que la bande interdite devienne directe, ce qui permet d'obtenir une forte émission dans la gamme spectrale 1.3-1.8 µm.

Malgré ces avancées significatives, les potentialités des nanofils 2H-Si1-xGex restent largement inexplorées et il manque encore une description unifiée de leurs propriétés électroniques et optiques. D'une part, les techniques de modélisation actuellement utilisées, bien que précises, ne peuvent pas inclure l'influence des paramètres intrinsèques (taille et composition) et extrinsèques (déformation, substrats et dopants) sur la réponse diélectrique des nanofils en raison du fort besoin en puissance de calcul et des problèmes de convergence. D'autre part, la plupart des caractérisations optiques expérimentales de ces NFs sont affectées par une difficulté intrinsèque importante qui ne permet pas de séparer le rôle des différentes variables physiques. À cet égard, puisque la microscopie STEM-EELS à ultra-haute résolution permet d'étudier des nano objets individuels, elle peut fournir des informations uniques qui restent inaccessibles dans la majorité des méthodes de spectroscopiques optiques.

La finalité du projet AMPHORE est d'étudier, par une combinaison originale de théories ab initio, des approches semi-classiques et de modélisations numériques, le grand potentiel des nanofils d’alliage 2H-Si1-xGex en tant qu'émetteurs de lumière et de le relier à des expériences STEM-EELS avancées. Le projet présente deux objectifs majeurs : i) la compréhension théorique profonde, via une modélisation multiéchelle précise au-delà de l'état de l'art, de la réponse diélectrique des nanofils d’alliage 2H-Si1-xGex en incluant les effets de la morphologie, des substrats et des dopants, et ii) l'interprétation, grâce à la description théorique obtenue, d'expériences optiques réalisées avec une instrumentation unique au monde, qui combine un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) — avec monochromateur et correcteur d'aberration sphérique — avec la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). Ce financement va insérer le porteur du projet dans un contexte scientifique idéal afin de créer une ligne de recherche indépendante dans le domaine de la modélisation multi-échelle en collaboration étroite avec des expériences avancées.