Propriétés physiques de matériaux hybrides semi-métal/semi-conducteur III-V/Si – PIANIST

L'intégration monolithique des semi-conducteurs III-V, ayant d'excellentes propriétés structurales et optiques sur silicium, substrat mature à faible coût et technologiquement bien maîtrisé a longtemps été considérée comme un objectif inaccessible pour de nombreux scientifiques des matériaux et des dispositifs. La situation a récemment changée avec les différentes démonstrations de composants III-V / Si efficaces pour la photonique et l'énergie. Parmi les défauts générés lors de la croissance des cristaux III-V sur le substrat Si, les parois d’antiphase (APB), ont toujours été considérées comme des centres de recombinaisons non radiatives, qui limitent les performances des dispositifs (lasers ou cellules PV). Les résultats récents obtenus au sein du consortium du projet PIANIST remettent sérieusement en question ce point de vue. Ces résultats indiquent que les APBs se comportent comme des singularités 2D homovalentes et verticales qui ont de nombreuses propriétés physiques fondamentales intéressantes, qui pourraient être utilisées pour des dispositifs photoniques des applications dans le domaine de l’énergie, ou même de l’électronique.
PIANIST est un projet PRC de recherche fondamentale, visant à explorer les propriétés opto-électroniques et de transport de nanostructures verticales hybrides III-V/Si semi-métal 2D/semi-conducteur et évaluer leur potentiel pour des innovations industrielles dans le domaine de la photonique, et de l’énergie verte.
Les trois objectifs du projet sont :
O1: Explorer les propriétés optoélectroniques des singularités nanométriques homovalentes dans les semi-conducteurs III-V épitaxiés sur silicium.
O2: Clarifier l’impact de ces singularités homovalentes et des dislocations sur les propriétés de transport remarquables des couches épitaxiées III-V/Si.
O3: Proposer de nouveaux composants III-V/Si pour la photonique ou l’énergie, en tirant profit des propriétés physiques de ces nano-matériaux enterrés.
Pour atteindre ces objectifs, le projet, organisé en 4 tâches scientifiques, nécessitera d'importants développements de matériaux (Tâche 1), pour les semi-conducteurs III-Sb/Si (MBE@IES) et III-P/Si (MBE-UHVCVD@i-FOTON). Le choix des matériaux III-Sb et III-P a été motivé par l'observation de fortes similitudes sur les propriétés des singularités homovalentes entre les deux matériaux, malgré des propriétés de bande interdite, de croissance et de structure très différentes. Le projet nécessitera également des caractérisations structurales avancées, disponibles par TEM au C2N, par STM à IPR ou par DRX avancée au C2N, à l’IES et à l’i-FOTON. Des expériences de PL dépendantes de la température et de la puissance seront réalisées à l'IES et à l’i-FOTON pour clarifier les interactions électron-phonons. Des cartographies de TRCL seront effectuées ainsi que des cartographies de diffusion Raman au C2N et à l’IPR pour explorer le couplage exciton-réseau cristallin. Les propriétés de transport seront ensuite étudiées par une approche multi-échelle utilisant des mesures Hall (IPR), des mesures de micro-sondes 4 pointes (IPR), un AFM en mode conduction (IES & C2N), du KPFM (i-FOTON) et une microscopie à émission d'électrons balistiques (BEEM à l’IPR). Ces études expérimentales seront soutenues théoriquement par des calculs DFT atomistiques (i-FOTON) pour décrire la structure électronique, les propriétés vibrationnelles et les constantes diélectriques des singularités stœchiométriques ou non stœchiométriques homovalentes III-V/Si. Sur cette base, les propriétés topologiques, les mécanismes de transport (Tâche 3) et les propriétés optoélectroniques (Tâche 2) des singularités homovalentes seront clarifiés. Ces propriétés seront évaluées afin de proposer de nouveaux design de composants dans le domaine de la photonique, de la récupération d’énergie solaire, ou encore de l’électronique et du calcul quantique (Tâche 4).