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III-V / Si (sélective sur SiO2)

Hétéro-Épitaxie Et Intégration Semiconducteurs III-V/Si

Photoluminescence de puits quantiques InGaAs/GaAs à température

Dans le domaine des matériaux III-V, nous nous sommes focalisés sur quelques enjeux majeurs, en développant des procédés large échelle et compatibles CMOS : (i) économie de matériaux critiques (In et Ga par exemple) en utilisant des couches ultra-minces en lieu et place de matériaux massifs (remplacement de substrats InP et GaAs), (ii) développement de techniques et procédés d’élaboration grande surface (MOVPE 300 mm), (iii) hétéro-épitaxie sur silicium et intégration sur plateforme CMOS dans des composants nano et optoélectroniques.

Pour répondre à ces enjeux, nous avons développé des voies compatibles CMOS pour faire croitre et intégrer des semiconducteurs III-V à base d’arsenic, de phosphore et d’antimoine. Le choix d’étudier et de développer des procédés de croissance sur des substrats standards de la microélectronique, à savoir du Si(100) nominal de 300 mm de diamètre constitue un défi technologique majeur. Ces matériaux peuvent avoir des applications aussi bien dans les domaines de la nanoélectronique, de l’optoélectronique et des capteurs. Ce défi technologique vient du fait que les matériaux III-V, et le silicium présentent des incompatibilités qui complexifient la croissance cristalline des premiers sur le second. Afin de profiter au mieux des évolutions technologiques de ces dernières décennies, nous avons pris le parti de travailler dans un environnement complètement Si, c’est-à-dire la salle blanche CMOS 300 mm du CEA-LETI, en partenariat avec l’équipementier numéro 1 de la microélectronique Applied Materials.

Exemple d’épitaxie sélective d’hétérostructure GaAs/InGaAs en section

Nous avons obtenu des résultats majeurs dans ce domaine en étudiant la croissance de GaAs et de GaSb. Nous avons développé un procédé de préparation de surface couplant un nettoyage plasma à un recuit sous dihydrogène qui permet la formation de marches biatomiques et ainsi d’éliminer les défauts cristallins appelés parois d’antiphase sur des substrats Si(100) nominaux. Nous sommes le seul groupe au monde à maitriser cette technologie de façon controlée et reproductible, sans croissance de buffer Si ni structuration du substrat. Il devient ainsi possible d’obtenir des couches fines (140 nm) de GaAs épitaxiées sur silicium sans parois d’antiphase (Thèse R. ALCOTTE, Thin Solid Films, 645, pp. 119-123 (2018)). Nous avons démontré récemment que cette préparation de surface fonctionne également pour la croissance de couches tampons de GaSb sur Si(100) puisque nous avons obtenu le même type de résultat, à savoir du GaSb épitaxié sur Si(100) 300 mm sans paroi d’antiphase (Thèse T. CERBA, Thin Solid Films, 645, pp. 5-9 (2018)).).

Notre objectif est de réaliser des composants à partir de ces couches tampons et en particulier des structures laser (Programme IRT NANOELEC). Afin de gagner du temps dans cette compétition internationale avec notamment l’Université de Santa Barbara, nous avons développé deux collaborations majeures, une avec l’University College London pour réaliser un laser à base d’arséniures émettant à 1.3µm longueur d’onde télécom, et l’autre avec l’IES Montpellier pour réaliser un laser à base d’antimoniures émettant à 2.1 µm. Nous avons réalisé avec l’UCL le premier laser à pompage électrique fonctionnant en continu et émettant à 1.3 µm à température ambiante (publication UCL et LTM dans Optics Express 25(5), pp. 4632-4639 (2017)). Avec l’IES, les premiers résultats sont très encourageants puisqu’une émission laser à 2.3 µm a été obtenue en pompage optique à la température de l’azote liquide.

Ce travail s’est effectué dans le cadre d’un projet de développement commun (2012-2019) entre le CNRS-LTM, le CEA-LETI et la société Applied Materials, équipementier numéro 1 pour la microélectronique basée à Santa Clara (USA) sur ce sujet, du programme européen H2020 COMPOSE3, du Labex MINOS, du projet IDEX « NEED for IoT » et de l’IRT NANOELEC.

Contact : thierry.baron@cea.fr

LTM

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