Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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Elaboration et Physique des Structures épitaxiées > Hétérostructures III-V pour l'optoélectronique sur Si (HeterOpSi)
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HeterOpSi

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Objectives

  • Growth and structural analysis of monolithically integrated III-V and group IV semiconductors
  • Direct bandgap germanium via strain engineering
  • Determine the structural properties of the interfaces between Si, crystalline oxides and III-V semiconductors



The main objectives of this research action are to define the best routes for integrating III-V compounds with group IV semiconductors. Over the last four years, two approaches have been developed.
The first approach, entirely carried out at LPN, relies on the metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) of germanium layers. We aims at studying and understanding the growth of such layers using the metal-organic isobutyl-germane (IBuGe) source recently developed by the Rohm and Haas company. IBuGe is a liquid less toxic than germane. We intend to control the n-type and p-type doping of Ge layers in a III-V reactor, for solar cell applications. We also aim at growing highly n-doped and tensile-strained Ge layers of high structural quality on specific plastically relaxed layers in order to obtain direct bandgap Ge.
The second approach deals with integrating III-V semiconductors on Si, which, besides important applicative issues, is one major challenge of epitaxial growth. In this case, we lead the structural investigations of 2D and quantum dot (QD) III-V structures grown by molecular beam epitaxy (MBE) at Institut des Nanosciences de Lyon (INL). 2D growth is performed on crystalline (Ba,Sr)TiO3 (STO), Gd2O3 or Al2O3 oxide buffer layers. We concentrated on the study and control of the compliant behavior of the interfaces between these oxides and the III-V (or Ge) deposits. On the other hand, In(Ga)As QDs are grown directly on Si substrates. We found that we could avoid the expected type-II character of the InAs/Si interface by inserting the QDs inside a thin Si layer deposited on a silicon-on-insulator (SOI) substrate.



Highlights

  • Homoepitaxial growth of n and p doped Ge using isobutyl-germane in a III-V MOVPE reactor
  • Atomic scale description of the compliant interface between InP and SrTiO3
  • Controlled coalescence of InP islands on Si with SrTiO3 template yields layer with low density of structural defects
  • Control of the crystalline orientation of GaAs islands on SrTiO3
  • Crystalline properties of self-assembled Ge nanocrystals grown on BaTiO3/SrTiO3/Si(001)
  • Elucidation of the growth mechanisms of (In,Ga)As quantum dots on a Si (001) substrate


HAADF-STEM image of the SrTiO<sub>3</sub> / InP interface

Collaborations

  • P. Boucaud, M. El Kurdi, S. Sauvage, IEF, Orsay
  • P. Roca i Cabarrocas, LPICM, Ecole polytechnique, Palaiseau
  • ERSE (formerly CESI-RICERCA), Piacenza, Italie
  • Rohm and Haas, France and USA
  • G. Saint-Girons, M. Gendry, INL, Lyon


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Puce Membres

Contacts

 Sagnes Isabelle  (+33) 1 69 63 61 71  
 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Largeau Ludovic  (+33) 1 69 63 61 74  

Et aussi...

 Beaudoin Gregoire  (+33) 1 69 63 62 45  
 Mauguin Olivia  (+33) 1 69 63 61 07  

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Puce Brevets

  • Heterostructures semiconductrices monolithiques epitaxiees et leur procede de fabrication (International Application N°: PCT/FR2008/051669), G. Saint-Girons, L. Largeau, G. Patriarche, P. Regreny, G. Hollinger, FR 2008/051669, (2008-09-17)
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Puce Publications

Publications dans des journaux
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      APOLLON : Multi-APprOach for high efficiency integrated and inteLLigent cONcentrating PV modules (Systems)

      Référence de contrat : Large scale IRP
      Responsable(s) LPN : Isabelle Sagnes
      Principaux objectifs : The main objective in APOLLON is to develop High concentration Point Focus and Dense Array systems (MBS3) based on monolithic and discrete MJ technology with a final target cost of 2 €/W. 16 partners are involved in the APOLLON project (from Universities to the final End-User) to assure the expertise mixture necessary to face all the technological critical issues related to each component of the CPV system. The role of the LPN laboratory is to developp Ge growth by using the recently developed Isobutilgermanium precursor in an III-V D180 MOCVD reactor from VEECO. The objectives for LPN is to realize MOCVD homo-epitaxy of Ge on Ge with high crystalline properties, to control the N-type and p-type doping of the Ge layers, to realise epitaxial Ge solar cells structures (GaAs/AlGaAs/Ge-EPI Ntype /Ge-EPI P type) on Ge substrate in collaboration with ERSE (ex – CESI RICERCA) Power Generation System Department) with open circuit voltages higher than 300mV at 500X. (2008-2013)

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    Puce ANR jeunes chercheurs

      BOTOX : BOîtes quantiques épiTaxiées dans une matrice d’OXyde de grand gap pour des applications en nanophotonique

      Référence de contrat : ANR jeunes chercheurs
      Coordinateur, Partenaire(s) : G. Saint-Girons (INL ),
      Responsable(s) LPN : Ludovic Largeau, Gilles Patriarche
      Principaux objectifs : L’objectif de ce projet est d’aboutir à la maîtrise de l’épitaxie de boîtes quantiques III-V dans une matrice épitaxiale d’oxyde de grand gap. Il débouchera sur la mise au point de protocoles d’épitaxie et d’encapsulation de ces nanostructures, ainsi que sur une description détaillée de leurs mécanismes de formation et de leurs propriétés structurales et optiques. Il conduira aussi à l’évaluation des propriétés physiques de ces nanostructures vis à vis de deux types d’applications : les microsources photoniques à base de microrésonateurs en anneau et à cristaux photoniques, et les source à boîtes quantiques uniques pour la cryptographie quantique. (2006-2009)

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    Puce Autres Projets Nationaux

      OPTOSI : Intégration par épitaxie de composants optoélectroniques III-V sur Si

      Référence de contrat : ANR blanc
      Coordinateur, Partenaire(s) : E. Tournie (IES ), E. Tournie (IES )
      Responsable(s) LPN : Gilles Patriarche
      Principaux objectifs : (2012-2016)

      GRAAL : Group IV laser based on n-type and tensile-strained germanium

      Référence de contrat : ANR blanc
      Coordinateur, Partenaire(s) : P. Boucaud (IEF ), P. Boucaud (IEF )
      Responsable(s) LPN : Isabelle Sagnes
      Principaux objectifs : Group IV laser based on n-type and tensile-strained germanium (2011-2015)

      COMPHETI : Compliance des hétérointerfaces semiconducteur/oxyde pour l’intégration monolithique d’InP sur Si(001)

      Référence de contrat : ANR
      Coordinateur, Partenaire(s) : G. Saint-Girons (INL ),
      Responsable(s) LPN : Gilles Patriarche, Ludovic Largeau
      Principaux objectifs : Global understanding of the physics of semiconductor/oxide heterointerfaces and InP/perovskite oxide/Si(001) growth mechanisms, and fabrication of high quality InP layers on STO/Si(001) templates. Coordinator: G. Saint-Girons (INL). Partners: INL, IEMN, INAC. (2010-2012)

      GAIN : Germanium contraint A bande INterdite directe

      Référence de contrat : RTRA Triangle de la physique
      Responsable(s) LPN : Isabelle Sagnes
      Principaux objectifs : L’objectif de ce projet est de montrer pour la première fois qu’il est possible d’obtenir un matériau à bande interdite directe dans la filière silicium en imposant une contrainte en tension au germanium. Cette contrainte sera obtenue en épitaxiant du germanium d’épaisseur nanométrique sur InP. Nous optimiserons les paramètres régissant cette hétéroépitaxie entre matériau de la colonne IV et matériau III-V par des mesures structurales (microscopie, analyse de l’hétérointerface). Des mesures d’absorption interbande et de luminescence nous permettront d’étudier la transition entre bande interdite directe et bande interdite indirecte. Nous corrélerons cette transition avec des calculs de structure de bande permettant de décrire à la fois les états de conduction et de valence sur l’ensemble de la zone de Brillouin (formalisme k.p 30 bandes). L’obtention d’une bande interdite directe nous permettra de faire la démonstration d’un gain optique avec ce matériau sous pompage optique interbande. Ceci ouvrira la voie à la première réalisation d’un laser utilisant la bande interdite directe du germanium. Ces travaux serviront d’étapes en vue de la réalisation de composants lasers intégrés monolithiquement sur silicium à partir d’alliages à base de germanium et d’étain épitaxiés sur silicium ou par application d’une contrainte externe. La durée du projet est de deux ans, la première année étant consacrée à la modélisation des effets de contrainte et de confinement dans des couches nanométriques et à l’optimisation de la croissance de germanium sur substrat InP. La deuxième année sera consacrée à la mise en évidence expérimentale de la bande interdite directe du germanium contraint et la démonstration de gain sous pompage optique. Ces travaux permettront également d’explorer les propriétés de nouvelles sources à grande longueur d’onde (2 – 5 µm) sur InP. Partenaire(s) : Projet porté par El Kurdi de l’IEF, LPN. (2008-2011)

      BIQUINIS : Boîtes quantiques d'InAs insérées dans une matrice de silicium

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Responsable(s) LPN : Ludovic Largeau, Gilles Patriarche
      Principaux objectifs : L’objectif du projet est d’ouvrir la voie au développement d’une filière optoélectronique à base de boîtes quantiques (BQ) III-V insérées dans une matrice de silicium et donc de viser la fonction « émission de lumière » pour la filière silicium. Une des limitations possibles à un tel développement provient de la nature probable de type II de l’interface InAs/Si. Le but de ce projet sera, le cas échéant, de contourner cette limitation. Il s’agira donc d’abord d’étudier les propriétés physiques de telles BQ d’InAs/Si, tant d’un point de vue expérimental que théorique. On déterminera en particulier le type d’offset à l’interface entre le silicium (semiconducteur à gap indirect) et l’InAs (semiconducteur III-V à gap direct).Pour favoriser, le cas échéant, une interface de type I, l’originalité de notre projet consistera à insérer les BQ d’InAs dans un puits quantique de silicium fabriqué à partir d’un substrat SOI. Ce sont les effets attendus de confinement du silicium qui favoriseront une interface de type I avec l’InAs. Il sera nécessaire de développer la croissance EJM auto-organisée de BQ d’InAs sur substrat silicium et substrat SOI aminci et leur encapsulation, en optimisant l’émission autour de 1,3?m. Un démonstrateur de type microdisque sur substrat SOI contenant un plan de boîtes InAs insérées dans un puits quantique de silicium sera fabriqué puis testé, afin d’évaluer les potentialités de cette filière pour réaliser des émetteurs de lumière sur silicium. (2008-2011)

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Puce Propositions de stages

Stage


  • Vers un amplificateur optique à semi-conducteur intégré sur Silicium

  • Niveau : Master2
    Contact : A. Talneau , I. Sagnes , G. Patriarche
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
                Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Le futur de l’optique intégrée passe par l’intégration sur Silicium, pas seulement comme plate-forme d’intégration où les différents composants individuels sont reportés, mais aussi pour mettre à profit les très bonnes performances des guides en silicium sur SiO2 – SoI – aux longueurs d’onde télécom. Les modes supportés par ces guides de fort indice sont très confinés. On peut donc construire des architectures de circuits intégrés photoniques –CIP– ultra compactes. Par ailleurs, la fonction d’amplification est nécessaire dans un CIP car il faut compenser l’ensemble des pertes de couplage/propagation. Les matériaux semi-conducteurs III-V à base de Phosphure d’Indium ont de très bonnes propriétés d’émission/amplification dans le domaine spectral 1.55µm. Dans le cadre de ce stage, nous proposons d’étudier deux des étapes conduisant à la réalisation d’un amplificateur optique intégré fonctionnant dans le domaine de longueur d’onde 1.55µm, obtenu par intégration hybride de matériau III-V sur Si. Une des étapes concerne la conception du guide optique supportant le mode amplifié, qui se trouve étendu sur les deux matériaux III-V et Si. L’autre étape que nous proposons d’étudier concerne la technologie du collage moléculaire par laquelle les deux matériaux III-V et Si se retrouvent en contact sans couche intermédiaire et sans dégradation de leur qualité cristalline, ce qui permet à un supermode de s’étendre sans pertes dans les deux matériaux. Il est important d’étudier ces deux étapes simultanément car la conception du guide sera dépendante des résultats obtenus pour le collage.Le Laboratoire dispose des outils de simulation pour calculer les paramètres du guide, et a une expérience reconnue sur le collage moléculaire [1], ainsi que sur l’injection électrique dans les dispositifs III-V [2]. Une thèse est proposée à la suite de ce stage, pour concevoir et réaliser un amplificateur à gain bloqué, le blocage du gain étant obtenu en faisant laser la structure. La technologie de fabrication de l’amplificateur à gain bloqué fera partie de la thèse. [1] G.Patriarche et al., J. Appl. Phys. 82,4892 [2] A.Talneau et al., Appl. Phys. Lett., 85, 1913
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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat


  • Epitaxie MOCVD de Ge dopé dans un réacteur III-V pour application aux cellules solaires à haut rendement

  • R. Jakomin-(2008-10-01 / 2010-09-30)
    Contact : I. Sagnes
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    L’enjeu actuel est l’intégration monolithique dans un même réacteur d’épitaxie de la croissance de matériaux IV-IV et de matériaux III-V pour la réalisation de cellules solaires à haut rendement et de composants photoniques actifs sur Si/Ge. Maîtrisant la croissance de structures complexes sur GaAs en EPVOM, nous nous focaliserons sur l’utilisation de nouveaux précurseurs organométalliques de germanium et de silicium pour réaliser l’intégration GaAs/Ge et GaAs/SiGe/Si. L\\\'objectif du post-doctorant est de contrôler par épitaxie dans un réacteur III-V les dopages N et P du Ge afin de réaliser la première jonction P/N des cellules solaires convergeantes à haut-rendement (projet européen APOLLON, (01/07/2008-30/06/2011)) et ceci en contrôlant le dopage résiduel des couches supérieures d’AlGaAs/GaAs. Le précurseur silicium (actuellement en développement dans les laboratoires de recherche de la société Rohm and Haas) sera implanté sur notre réacteur pour réaliser des pseudo-substrats de SiGe par EPVOM. Outre un intérêt pour l’augmentation des performances des cellules solaires, le précurseur de germanium nous permettra aussi de marier le Ge et l’InP (Projet RTRA GAIN en collaboration avec l\\\'IEF) afin de rendre le Ge à bande interdite directe en lui imposant le paramètre de maille de l’InP. Des études des conditions de croissance du Ge sur InP seront menées ainsi que des caractérisations structurales et optiques.

  • Heteroepitaxial bonding for photonic devices, structural and mechanical characterisations

  • Contact : G. Patriarche , E. Le Bourhis , A. Talneau
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
                Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    This PhD position is opened in the framework of the ANR-P2N COHEDIO project (2012-2015) Heteroepitaxial bonding for Hybrid Integration of Nanostructured Optical devices . The aim of this project is to open new fabrication routes for hybrid photonic devices. Today, hybridation requires an intermediate layer added in-between the two bonded materials which limits the device performances, mainly their thermal behaviour. Within this project, we aim at producing without employing any intermediate layer high quality hybrid interfaces. It is mandatory that all bonds at the interface be reconstructed in order to preserve the crystalline properties and nanostructuration of each material. We will then be able to successfully hybrid materials that cannot be integrated with conventional methods and thus open new application fields. Within this PhD, we will focus on silicon bonding of two main classes of materials employed in the fabrication of photonic integrated circuits: (i) III-V semi-conducteurs e.g. GaAs or InP for emission/amplification function and (ii) magneto-optic garnets -YIG- for optical insulation. For device application, the Silicon surface will be nanostructured to obtain optical guides. We will also investigated bonding of III-V semi-conductors on SiC due to its high thermal conductivity. The bonded surfaces will be limited to a device footprint, thus ~ 1 cm2 . A first successful result has been obtained in LPN and presented at IPRM 2011. The PhD work will address surfaces preparation; their chemical nature before bonding will be checked by surface spectroscopy. The structure of the bonded interface will be studied until the atomic scale using TEM/STEM techniques. The bond strength will be checked mechanically employing instrumented indentation and its structure and mechanical resistance will be analyzed in depth with transmission electron microscopy. In the case of YIG bonded material on Si, the PhD candidate will be involved in the device processing performed before and after the bonding step. An optical isolator based on a Mach-Zehnder interferometer design in the Si guiding layer, as proposed in Y.Shoji et al., Appl. Phys. Lett., 92,071117 (2008) will be fabricated and characterized.

Thèse

Stage

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