Méthodes avancées de synthèse épitaxiale de couches minces de SiGe en phase hexagonale 2H – Adhex-SiGe

Les phases cristallines hexagonales 2H de SixGe(1-x), avec une bande interdite directe, sont en passe de révolutionner l'industrie optoélectronique en fournissant le très convoité émetteur de lumière compatible avec la technologie Si. Précédemment nous avons utilisé la transformation de phase et la croissance de nanofils cœur/coquille pour la synthèse de nanostructures SiGe-2H. Pour une intégration industrielle, il est nécessaire de faire croître ces cristaux de SiGe -2H en augmentant le volume utile.

L'objectif du projet Adhex-SiGe est de développer une voie de synthèse de SixGe(1-x)-2H en couches minces. Par épitaxie sur des substrats hexagonaux adéquats, il est possible de dupliquer la phase hexagonale de SixGe(1-x)-2H. Notre approche inédite exploite l’épitaxie sur substrats de matériaux wurtzite II-VI. Nous étudierons les mécanismes de croissance cristalline et la formation de défauts dans le SixGe(1-x)-2H. Afin d'accommoder les paramètres de maille entre le substrat et la couche SixGe(1-x)-2H visée, nous envisageons différentes approches dont le nouveau procédé de « remote epitaxy » basé sur l’utilisation d’une monocouche intermédiaire de graphène. L'étude de la remote epitaxy avec des matériaux II-VI fortement ioniques devrait permettre de valider ou réfuter ce procédé et de mieux comprendre les mécanismes en jeu. Cette nouvelle technique offre l’intérêt supplémentaire d’exfolier la couche épitaxiée pour transférer le film SixGe(1-x)-2H sur un substrat Si.

La synthèse de couches minces SixGe(1-x)-2H de haute qualité permettra de répondre à de nombreuses questions ouvertes sur les propriétés physiques de ces nouveaux matériaux comme la structure de bande, le dopage actif ou encore les propriétés optiques. Le SixGe(1-x)-2H est potentiellement émetteur de lumière pour des concentrations en Si de 0<x<0,4. La longueur d’onde d’émission attendue est dans la gamme de l’infrarouge entre 1,8 et 3,5 µm. Ce domaine est particulièrement intéressant en raison des fenêtres de transparence atmosphérique disponibles pour des applications laser telles que les télécommunications, la détection de gaz ou polluants chimiques. Ainsi, l’aboutissement majeur d’ADHEX-SiGe serait de démontrer le transfert de la couche SixGe(1-x)-2H sur une plate-forme Si pour la compatibilité CMOS. Cela va ouvrir un large marché pour les applications laser dans le moyen infrarouge.<br />
Le projet ADHEX-SiGe bénéficie de l’expertise complémentaire des trois partenaires (C2N, GEMAC, NPSC) en épitaxie de semiconducteurs et s’appuie sur une grande variété de techniques de caractérisations avancées de matériaux (STEM-EDX, HR-XRD, SIMS, XPS/AES...). Une extension vers la région infrarouge d'un SEM-cathodoluminescence sera opérationnelle pour le début du projet. Cet outil unique sera combiné à des mesures PL pour l'analyse des propriétés d'émission et la signature spectrale des impuretés et/ou défauts en dessous de l’énergie de la bande interdite.