Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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Elaboration et Physique des Structures épitaxiées > Nanofils III-V (Nanowires)
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Nanowires

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Objectives

  • Fabricate nanowires of III-V materials
  • Analyze the morphological, structural, chemical, optical and transport properties of NWs
  • Study and understand the basic mechanisms of nanowire formation
  • Model nanowire growth quantitatively and predictively
  • Fabricate controlled and defect-free heterostructures in nanowires for various applications
  • Extend the current understanding of nucleation in open systems of nanometric dimensions



The interest for semiconductor nanowires (NWs) extends rapidly. This new class of nano-objects is likely to play an important role in future electronic and optoelectronic devices. NWs are also excellent vehicles for exploring the properties of one-dimensional (1D) systems. In this field, our studies have several interrelated facets. First, we aim at understanding, quantifying and modelling the basic mechanisms of NW growth, in their specific thermodynamical, kinetic and statistical aspects. We make use of this information to produce NWs with controlled geometry, structure and composition (including axial and radial heterostructures, and doping) for basic physical studies as well as for potential applications. Our investigations rely on detailed analyses of the samples, in particular by transmission electron microscopy (TEM). Specifically, we fabricate NWs by molecular beam epitaxy (MBE) in the (Al,Ga)As and In(P,As) systems using Au as a catalyst, and catalyst-free (Al,Ga)N NWs.



Highlights

  • Origin of the wurtzite phase in nanowires of III-V zinc blende semiconductors
  • Crystalline phase transition induced by epitaxial burying of GaAs nanowires
  • Calculation of the critical dimensions for the plastic relaxation of axial heterostructures in nanowires
  • Nucleation antibunching in VLS growth
  • Quantum dots in nanowires for single photon sources


Wurtzite phase of a GaAs nanowire oberved by TEM
Figure 1 : Wurtzite phase of a GaAs nanowire oberved by TEM
Figure 3 : GaAs nanowires grown by MBE from an organized array of Au particles defined by electron-beam lithography

Collaborations

  • V. Dubrovskii, G. E. Cirlin, Saint Petersburg Academic University (Russia), Internat. Assoc. Lab. ILNACS
  • V. Zwiller, N. Akopian, Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft (The Netherlands), PICS submitted
  • M. Tchernycheva, IEF, Orsay (France)
  • RCIQE, U. of Hokkaido (Japan)
  • J.-L. Maurice, G. Rizza, LPICM, Palaiseau


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Puce Faits Marquants

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Puce Membres

Contacts

 Harmand Jean-Christophe  (+33) 1 69 63 60 81  
 Glas Frank  (+33) 1 69 63 60 79  

Et aussi...

 Largeau Ludovic  (+33) 1 69 63 61 74  
 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Travers Laurent  (+33) 1 69 63 60 65  
 Gogneau Noelle  (+33) 1 69 63 61 75  
 Mauguin Olivia  (+33) 1 69 63 61 07  
 Faini Giancarlo  (+33) 1 69 63 61 26  
 Gierak Jacques  (+33) 1 69 63 60 75  
 Mailly Dominique  (+33) 1 69 63 61 27  
 Ramdane Abderrahim  (+33) 1 69 63 61 50  
 Voisin Paul  (+33) 1 69 63 61 93  
 Wang Zhao-Zhong  (+33) 1 69 63 61 85  

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Puce Brevets

  • Substrat comprenant une couche de silicium et/ou de germanium et un ou plusieurs nanofils d'orientation perpendiculaire à la surface du substrat (N° 1256374). Déposants : Saint Gobain et CNRS, Y. Cohin, E. Sondergard, J.-C. Harmand, 1256374, (2012-07-03)
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Puce Publications

Publications dans des journaux
Publications dans des livres
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      ILNACS : Nanostructures of Compound Semiconductors (Growth, properties, devices)

      Référence de contrat : LIA
      Coordinateur, Partenaire(s) : F. Glas (LPN ),
      Responsable(s) LPN : Frank Glas
      Principaux objectifs : Coordonner et développer les collaborations scientifiques entre les laboratoires du CNRS et les laboratoires et instituts de l'académie des sciences russe basés à Saint-Petersbourg dans le domaine de la croissance et de l'étude des propriétés physiques des nanostructures de semiconducteurs composés, et des composants basés sur ces structures.
      (2010-2017)

      NanoEmbrace : Embracing One Dimensional Semiconductor Nanostructures

      Référence de contrat : IST Marie Sklodowska-Curie
      Responsable(s) LPN : Jean-Christophe Harmand, Frank Glas
      Principaux objectifs : (1) Développer des méthodes de croissance de nanofils de semi-conducteurs permettant de contrôler leur forme, dimensions, direction et structure cristalline. (2) Développer des modèles théoriques décrivant la croissance, la morphologie et la structure des nanofils, pour différents systèmes de matériaux. (3) Ouvrir de nouvelles voies permettant de réaliser des structures à base de nanofils ayant des applications pratiques. (2013-2016)

      UPSTIN : ultra-low power spin transistor based on InAs nanowires

      Référence de contrat : ANR Internationale
      Coordinateur, Partenaire(s) : K. Yoh (RCIQE - University of Hokkaido (Sapporo - Japan) )
      Responsable(s) LPN : Jean-Christophe Harmand
      Principaux objectifs : To establish the basis of ultra-low-power circuit operation by achieving steep slope of gate voltage for on/off switching through the successful Datta-Das type spin transistor of semiconductor nanowires. The devices are hybrid systems consisting of ferromagnetic contacts deposited on InAs or InAs/InAsP core-shell nanowires. Coordinator: Kenji Yoh (RCIQE, University of Hokkaido, Sapporo, Japan) (2010-2013)

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    Puce Réseaux Internationaux

      SANDIE : Self-Assembled semiconductor Nanostructures for new Devices in photonics and Electronics

      Référence de contrat : Programme: FP6 – NMP- Network of Excellence
      Coordinateur, Partenaire(s) : M. Grundman (Universite de Leipzig ),
      Responsable(s) LPN : Abderrahim Ramdane, Aristide Lemaître
      Principaux objectifs : Nanostructures auto-organisées pour les nouveaux composants en électronique et photonique (2004-2008)

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    Puce ANR PNANO

      FILEMON35 : Fils Epitaxiés par Croissance VLS de Matériaux III-V Organisés à l’échelle Nanométrique

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Responsable(s) LPN : Jean-Christophe Harmand
      Principaux objectifs : Les principaux objectifs sont d’une part la compréhension des mécanismes qui régissent la croissance VLS, d’autre part la fabrication de nanofils fonctionnels et l’exploration de leur propriétés d’émission et de transport. (2005-2008)

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    Puce Autres Projets Nationaux

      NON-STOP : Des Nanofils Nitrures à la Nanogénération Piézoélectrique

      Référence de contrat : Contrat Cnano
      Coordinateur, Partenaire(s) : N. Gogneau (LPN ),
      Responsable(s) LPN : Noelle Gogneau, Frank Glas
      Principaux objectifs : Etudier la potentialité des NFs de GaN et d’InN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires, pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique pour réaliser de piezo-générateurs performants.
      Partenaires : LGEP (Laboratoire de Génie Electrique de Paris) et IEF. (2013-2016)

      INSCOOP : Intégration de Nanofils III-V sur SOI pour COnnections Optiques sur Puce

      Référence de contrat : ANR P2N
      Coordinateur, Partenaire(s) : M. Gendry (INL ), M. Gendry (INL )
      Responsable(s) LPN : Jean-Christophe Harmand
      Principaux objectifs : Intégration de Nanofils III-V sur SOI pour COnnections Optiques sur Puce (2011-2014)

      BONAFO : boîtes dans nanofils pour l'optique

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Coordinateur, Partenaire(s) : K. Kheng (INAC / CEA ), K. Kheng (INAC / CEA )
      Responsable(s) LPN : Jean-Christophe Harmand
      Principaux objectifs : L’objectif est de développer la croissance d’hétérostructures dans des nanofils de semiconducteurs de gap direct, notamment des boîtes quantiques uniques, de comprendre et d’exploiter leur propriétés optiques. Partenaires: SP2M-CEA, Institut Néel-CNRS, IEF-CNRS, LPA-ENS-CNRS (2009-2011)

      TRANSFIL : Transport électronique dans des nanofils coeur-coquille de GaAs/GaAlAs et réalisation de transistors

      Référence de contrat : Contrat Cnano
      Coordinateur, Partenaire(s) : J.-C. Harmand (LPN ),
      Responsable(s) LPN : Jean-Christophe Harmand
      Principaux objectifs : (2010-2010)

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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat


  • Croissance et analyse de nano-colonnes de cristaux III-V

  • M. Tchernycheva-(2005-10-01 / 2006-10-01)
    Contact : J.-C. Harmand , G. Patriarche
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Des gouttelettes d’or déposées sur une surface de semiconducteur peuvent catalyser un mode de croissance particulier (appelé VLS pour vapor-liquid-solid) du semiconducteur : dans certaines conditions, il y a croissance préférentielle du semiconducteur sous les gouttes d’or, et donc formation de colonnes de semiconducteur d’un diamètre comparable à celui des gouttes d’or. Ce diamètre peut être de taille nanométrique (typiquement 50 nm). Une fois maîtrisé, ce procédé peut conduire à la fabrication de nano-dispositifs à 1 dimension. Dans le cadre de ce stage, on se propose d’étudier le régime de croissance VLS dans le cas d’ alliages III-Vs. Une chambre de croissance de III-V est couplée à une source d’évaporation d’or, permettant d’enchaîner le dépôt d’or et la croissance des III-Vs. Des caractérisations rapides telle que la microscopie à force atomique, et la microscopie électronique à balayage permettront d’optimiser la formation de ces nano-colonnes. On étudiera l’influence de l’orientation cristalline et de la nature du substrat, de même que celle des paramètres de croissance, température et flux. L’étape suivante est de réaliser ces nano-colonnes à partir d’hétérostructures III-V. Un point particulièrement critique sera l’évaluation de la raideur des interfaces obtenues dans ce mode de croissance particulier. Un autre aspect très attractif de ces nano-colonnes est la possibilité d’empiler des matériaux très contraints avec une relaxation de contrainte partielle sur les bords libres. Pour analyser finement la structure cristalline des ces objets, leurs compositions, leurs interfaces, et les aspects liés aux contraintes, on utilisera la microscopie électronique en transmission. Par ailleurs, on évaluera la possibilité de prédéfinir la taille et la localisation des gouttes d’or sur le substrat, étape indispensable pour une réelle maîtrise du procédé. A cette fin, le substrat pourra être nano-structuré par exposition à un faisceau d’ions focalisé (FIB) ou par un réseau de dislocations enterré obtenu par collage épitaxial. Enfin les premiers dispositifs pourront être réalisés pour le transport (par exemple structures à double barrière pour effet tunnel résonnant) ou pour la photonique (émission de boîtes quantiques uniques).

  • Nanowires for single photon emission

  • F. Jabeen-(2009-06-01 / 2012-05-31)
    Contact : J.-C. Harmand
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus

  • Tranport cohérent dans les nanofils

  • D. Lucot-(2010-01-01 / 2012-12-31)
    Contact : J.-C. Harmand , G. Faini
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
                Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
    En savoir plus

  • Electronic transport in core-shell nanowires

  • M. R. Ramdani-(2011-01-01 / 2013-08-31)
    Contact : J.-C. Harmand
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
                Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
    En savoir plus
    Semiconductor nanowires elaborated by catalyst-assisted growth are very flexible to fabricate complex and original heterostructures. In particular, the core-shell heterostructure allows forming an electron gas which is confined at the core/shell interface. At small core diameter, the electron gas is expected to be quasi one-dimensional (1D). Several groups study the electronic transport in nanowires or nanotubes, but very few convincing results are published, for instance on the observation of quantum interferences expected in such systems. Although the material quality is generally much better in nanowires formed by bottom-up growth as compared to those obtained by etching techniques, these nanostructures are not yet ideal and many critical issues have to be addressed to improve their characteristics: control of the crystal phase, material purity, doping efficiency, contacts, surface passivation… LPN has developed a complete process to fabricate devices from single vertically standing nanowires which include a GaAs core and a δ-doped GaAlAs shell (Fig. 1a and 1b). Their spatial location and their diameter are controlled by organizing the catalyst before growth by electron-beam lithography. Then, the nanowires are buried by undoped epitaxial GaAs (Fig. 5c). This step allows planarization, removes crystalline defects and suppresses the sidewall surface states. Metallic contacts are deposited on the emerging tips of the wire and on the highly doped substrate. Preliminary transport measurements on these original devices have revealed that the carrier gas experiences weak localization and anti-weak localization, indicating a strong spin-orbit coupling. We propose to further elucidate the different regimes of electronic transport in these nanostructures and to identify the behaviors which are related to their 1D character. To this aim, we want to modulate the carrier concentration in the channel. This can be done by introducing a doped layer in the epitaxial burying which can serve as wrap-around gate electrode. The post-doc will participate actively to the fabrication such devices and to their characterization by low-temperature magneto-transport measurements. The activity will be led by ELPHYSE and PHYNANO research groups in LPN. Bourse Cnano IdF

  • Nanofils III-V sur Si pour l'intégration de fonctions optiques en microélectronique

  • F. Oehler-(En cours depuis 2013-10-07)
    Contact : J.-C. Harmand
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    dans le cadre du projet INSCOOP.

Thèse


  • Comment orienter la croissance de nanofils semiconducteurs sur un support amorphe : de la couche mince texturée au nano-substrat pour l'épitaxie

  • Y. Cohin-(2011-10-01 / 2014-09-30)
    Contact : J.-C. Harmand , E. Sondergard
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus

  • Photonique à nanofils semiconducteurs

  • J. Costard-(2011-12-01 / 2012-08-30)
    Contact : J.-C. Harmand , P. Senellart
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
                Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    La thèse se déroulera dans le cadre d’un projet ANR qui propose une stratégie originale pour faire des interconnexions optiques sur substrat de silicium. L’interconnexion est matérialisée par un guide d’onde optique réalisé dans une couche de Si sur SiO2. Un réseau de nanofils photoniques verticaux contenant une zone active émettrice (à la longueur d’onde de 1,2µm) sera réalisé sur ce guide d’onde. Ce réseau sera conçu pour former une cavité optique résonante. On cherchera à montrer que sous pompage optique, des modes de Bloch hybrides peuvent être amplifiés dans ce micro-résonateur à nanofils et se propager dans le guide Si.

  • Nucleation and growth mechanisms of III-V semiconductor nanowires

  • G. Priante-(2013-10-01 / 0000-00-00)
    Contact : F. Glas , J.-C. Harmand
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus

    FP7 Marie Curie Actions - Initial Training Network

    Job title: Doctoral Research Fellowship (PhD)

    Title: Nucleation and growth mechanisms of III-V semiconductor nanowires

    Location:
    CNRS - Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Marcoussis, France

    Duration: 3 years

    Closing date: 15 July 2013

    Contacts:
    Dr Frank Glas, , +33 1 6963 6079
    Dr Jean-Christophe Harmand, , +33 1 6963 6081

    Gross living allowance: 44 118 € per year plus mobility allowance. Salary is subject to deduction of social contributions and to taxes.

    For more details read this document.



  • Photocathodes à nanofils

  • T. Jegorel-(2013-11-01 / 0000-00-00)
    Contact : J.-C. Harmand
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    avec Photonis.

  • Des Nanofils Nitrures à la Nanogénération Piézoélectrique

  • N. Jamond-(2013-11-01 / 0000-00-00)
    Contact : F. Glas , N. Gogneau
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Dans le cadre du projet NON-STOP (C'NANO IdF) : Etudier la potentialité des NFs de GaN et d’InN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires, pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique pour réaliser de piezo-générateurs performants.

  • Nouvelles plateformes pour la croissance de nanofils

  • V. Kumaresan-(2013-11-01 / 0000-00-00)
    Contact : J.-C. Harmand , E. Sondergard , M. Tchernycheva
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus

    Lieu : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN, Marcoussis), Unité mixte Saint-Gobain Recherche (SGR, Aubervilliers), Institut d’Electronique Fondamentale (IEF, Orsay).

    Contexte scientifique :
    Un avantage majeur de la croissance de matériaux III-V sous la forme de nanofils est la possibilité d’intégrer ces matériaux sur de nombreux substrats. Il est notamment possible d’obtenir des nano-cristaux de III-V en fort désaccord de maille avec leur substrat sans génération de défauts étendus. C’est une voie très attractive pour la réalisation de fonctions optiques sur des substrats de Si. La croissance de nanofils de très bonne qualité structurale est même possible sur des substrats non-cristallins. Ces perspectives sont d’un intérêt tout particulier pour les composés nitrures (III-N). En effet, le choix du substrat représente une problématique récurrente pour leur croissance en couches minces: le compromis entre le coût du substrat et la qualité cristalline des matériaux III-V est difficile. Ici, nous proposons d’utiliser des substrats amorphes de faible coût pour la croissance de nanofils de (Al)Ga(In)N de haute qualité structurale et qui pourraient servir à la fabrication de composants photoniques (LEDs ou cellules photovoltaïques par exemple). Cet objectif requiert des assemblées de nanofils uniformes, tous orientés perpendiculairement au substrat. Ces conditions sont indispensables pour contacter l’ensemble des nanofils et pour y injecter (ou collecter) des porteurs de charge uniformément.

    Sujet de la thèse :
    Pour orienter la croissance des nanofils, nous proposons d’élaborer sur le support amorphe des films minces de Si poly-cristallin à forte texture de fibre. Nous avons déjà développé un savoir-faire (SGR-LPN) pour obtenir de telles plateformes par le procédé de cristallisation induite par un métal (metal-induced-crystallisation). Combiné avec de la lithographie, nous démontrons actuellement que le procédé peut également produire un réseau organisé de pastilles nanométriques et monocristallines. Cette technologie introduit le concept de nano-substrat. L’enjeu de la thèse est de parfaire et d’utiliser un tel réseau pour la croissance de nanofils de GaN verticaux et uniformes. D’autres matériaux développant une forte texture de fibre (certains métaux en couche mince par exemple) pourront être explorés. La germination des nanofils sur ces nouvelles plateformes sera étudiée en détail en s’appuyant sur le savoir-faire du LPN en croissance de nanofils de GaN sur Si (111). Un objectif important est d’obtenir un nanofil sur chaque nano-substrat. On explorera également les propriétés morphologiques, structurales et optiques de ces nanofils. La thèse se déroulera sur plusieurs sites : St Gobain Recherche pour les dépôts des couches poly-cristallines texturées (25%), le LPN pour les étapes de lithographie, pour la croissance des nanofils III-N et leur analyse structurale (50%), l’IEF pour les caractérisations optiques et la fabrication de composants de tests (25%).

    Profil recherché : Le candidat devra avoir:
    - de solides connaissances en sciences des matériaux et physique du solide, - une forte motivation pour le travail expérimental et les nanotechnologies, - une capacité d’autonomie dans le travail mais également le goût du travail en équipe, - une très bonne compétence à communiquer.

    Date de démarrage : Novembre 2013

    Contacts :
    Jean-Christophe Harmand, , +33 (0)1 69 63 60 81
    Elin Søndergård, Elin.Sondergard@saint-gobain.com, +33 (0)1 48 39 57 51
    Maria Tchernycheva, maria.tchernycheva@ief.u-psud.fr, +33 (0)1 69 15 40 51

Stage

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