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COMPHETI
Compliance des hétérointerfaces
semiconducteurs/oxydes pour
l’intégration monolithique d’InP sur
silicium
INL (G. Saint-Girons et al.)
LPN (L. Largeau, G. Patriarche et al.)
IEMN (I. Lefebvre et al.)
INAC (G. Renaud, V. Favre-Nicolin et al.)
Journées Nationales Nanosciences et
Nanotechnologies 2012
Les enjeux de l’intégration en micro-
optoélectronique
Amélioration des performances et réduction du coût de fabrication des dispositifs
Miniaturisation (More Moore, Beyond CMOS)
Diversification/integration (More Than Moore)
Fonctions RF Optoelectronique Stockage Capteurs/actuateurs MEMS Biochips
Fonctions digitales (Calcul, mémoires)
Diversification/integration : à l’échelle
-du circuit imprimé -du circuit intégré : report/vignetage -du composant: vignetage ou épitaxie -de l’hétérostructure : épitaxie
Oxydes cristallins/Si
III-V/Si
ea
aE
2
1
1
Critical thickness
(A few ML for a/a = a few %)
Le paradigme de la croissance contrainte Relaxation plastique
« Un matériau désaccordé est initialement contraint sur son substrat »
Limitation importante de l’épitaxie
La croissance directe de GaAs/Si (a/a = 4%) ou d’InP/Si (a/a = 8%) est impossible
Elastic regime
Plastic regime
+SAB.(gAB - gB) G = -V.m +SA.gA +V.EV
B
A
m
SAB,gB
SA,gA
,gAB ,gdis
V,EV
Les dislocations d’interface se forment quand m est grand et
quand l’adhésion est faible
: pas de défauts traversant intégration?
3D-strained(Vollmer-Weber)
3D-relaxed(Vollmer-Weber)
2D-strained(Frank-Van der Merweor Stranski-Krastanov)
2D-relaxed(Frank-Van der Merwe)
Adhesion, désaccord et accommodation Un diagramme de phase pour l’hétéroépitaxie
Saint-Girons et al. PRB 80, 155308, (2009)
COMPHETI : exploiter les spécificités du système faiblement lié InP/STO pour l’intégration monolithique de III-V/STO/Si
O1 : comprendre la physique des interfaces semiconducteur/oxyde
O2 : fabriquer et caractériser des hétérostructures à puits quantiques d’InAsP/InP/STO/Si (lasers)
Partenaires et moyens mis en oeuvre INL : •Epitaxie : oxydes/Si et III-V/oxyde/Si •Caractérisations structurales : RX, TEM, XPS, synchrotron, AFM •Fabrication et caractérisation des composants •Modèles « empiriques »
LPN : Caractérisations structurales : TEM et RX
IEMN : Modèles ab-initio des interfaces : DFT+MD
INAC : Caractérisations synchrotron
194.4 pm, dont 125 pm permanents
Les premiers stades de la croissance d’InP/STO
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.01.64
1.66
1.68
1.70
1.72
1.74
1.76
a(SC) deduced from
RHEED
a(SC) bulk
Growth
start
Growth
stop
Croissance 3D sans CM (VW), InP non contraint Dislocations géométriques d’interface
Épaisseur déposée (ML) d
22
2 d
e l’I
nP
(Å
)
1 dislo tous les 16/17 STO <200>
Relation d’épitaxie indirecte : <110>InP(001)//<100>STO(001) a/a = 6.3%
Difficultés associées à la faible adhésion
390°C390°C 430°C430°C
InP(111) / STO(001) InP(001) / STO(001)
L’orientation de l’InP dépend des conditions de croissance
Fort démouillage de l’InP macles
(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
Domainboundary(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
Domainboundary(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
Domainboundary(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
(a) (b)Mâcle
Paroi de
domaine
STO(2x1) STO(1x2)
60°
Domainboundary
Domaines d’antiphase
3D-strained(Vollmer-Weber)
3D-relaxed(Vollmer-Weber)
2D-strained(Frank-Van der Merweor Stranski-Krastanov)
2D-relaxed(Frank-Van der Merwe)
3D-strained(Vollmer-Weber)
3D-relaxed(Vollmer-Weber)
2D-strained(Frank-Van der Merweor Stranski-Krastanov)
2D-relaxed(Frank-Van der Merwe)
Formations de défauts pendant la coalescence?
Commensurabilité des réseaux de dislocations d’interface
Il faut : - contrôler l’orientation - augmenter le mouillage pour réduire la densité de macles - comprendre la formation des dislocations - limiter l’impact des parois d’antiphase
Les templates de STO/Si Leur qualité est critique pour éviter le transfert des défauts vers l’InP
En début de projet
Après optimisation (quasi-suppression de la phase lacunaire)
Développement de templates LaAlO3/STO/Si et de BaTiO3/STO/Si
1 : STO stoechiométrique (abulk = 3.905 Å) 2 : STO lacunaire (abulk = 3.95 Å)
0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56
1x101
1x102
q (Å-1)
Inte
nsit
y (
cp
s, lo
g. scale
)
w limited by instr. res.
w = 0.45°
Etude des premiers stades de la croissance de Ge sur SrTiO3
Photoémission et diffraction de rayonnement synchrotron in situ Ge/STO comme système modèle (InP non disponible)
Le Ge se comporte de manière similaire à l’InP sur STO :
• Ge prend son paramètre de maille aux
tous premiers stades de la croissance
• Aucun défaut traversant détecté avant
la coalescence
• Compétition entre Ge(111) et Ge(001)
• Fort démouillage (plus fort que pour
l’InP)
• Ge/STO : a/a = 2.43%
Photoemission (synchrotron SOLEIL, ligne TEMPO, M. El-Kazzi, F. Sirotti, M. Silly) Mesure pendant la désorption de 0.5 MC de Ge/STO du niveau de cœur Ge3d (chimie de l’interface) et du RHEED (orientation des îlots)
Diffraction en incidence rasante (synchrotron ESRF, ligne BM32) Mesure pendant la croissance du Ge/STO de l’évolution du paramètre de maille du Ge et de la taille des îlots par diffraction en incidence rasante
Il faut augmenter l’adhésion pour stabiliser les îlots (001)
ST
O [
00
1]
// G
e [
111
]
STO [100]
// Ge [110]
ST
O [
00
1]
// G
e [
00
1]
STO [100]
// Ge [110]
Ge2-(001) : 2 liaisons Ge-O /atome d’interface
Ge1-(111) : 1 liaison Ge-O /atome d’interface
Ilots stabilisés par leur « forte » adhésion
Ilots stabilisés par leur faible énergie de surface
37 36 35 34 33 32 31
200
300
400
500
600
700
Tem
pera
ture
(°C
)
Binding energy (eV)
Zone 1
Zone 2
Zone 3
Zone 4
Zone 5
Zone 6
0
1x105
2x105
3x105
37 36 35 34 33 32 31
Ge3Ge2
Ge1
Inte
ns
ity
(a
.u.)
Ge0
(a)
(b)
Spectroscopie de photoémission
« Nouveau » mode de relaxation lié à la faible adhésion
• Ge initialement contraint (3D VW)
• La 1ère dislocation entre très tôt (dcrit=10 atomes)
• Relaxation « oscillante » liée à la parité du nombre d’atomes à l’interface
• Energie d’adhésion : gAB-gB 0.7 J/m2
Diffraction de rayons X en incidence rasante
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
-0.02
-0.01
0.00
Experiment
Ge strained on STO
relaxed Ge
1D Frenkel-Kontorova
(elastic chain of particles
interacting with a substrate)
Avera
ge s
train
alo
ng
<110>
Island diameter (number of atoms)
PseudomorphicRelaxed with interface
dislocations
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
3D3D
2D
2D
Désaccord paramétrique
Pas de condensation
0.4000
1.592
6.340
25.24
100.5
400.0
(nm3
log scale)
0.4
1.6
6.3
25
100
400
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
3D3D
2D
2D
Désaccord paramétrique
Pas de condensation
0.4000
1.592
6.340
25.24
100.5
400.0
(nm3
log scale)
0.4
1.6
6.3
25
100
400
m
g AB
–g B
(J.m
-2)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
3D3D
2D
2D
Désaccord paramétrique
Pas de condensation
0.4000
1.592
6.340
25.24
100.5
400.0
(nm3
log scale)
0.4
1.6
6.3
25
100
400
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
3D3D
2D
2D
Désaccord paramétrique
Pas de condensation
0.4000
1.592
6.340
25.24
100.5
400.0
(nm3
log scale)
0.4
1.6
6.3
25
100
400
m
g AB
–g B
(J.m
-2) No condensation
X
Ge/STO
InP/STO
Interface dislocations
L’InP est peut-être initialement relaxé?
Vers le régime 2D relaxé : augmenter m et l’adhésion
Vers le régime 2D contraint : augmenter l’adhésion, réduire m
Germination d’InP/STO
2x1011 cm-2 îlots parfaitement orientés (001)
h/d ~ 0.5
1-Maximisation de la réactivité de la surface de STO Surface terminée TiO2 reconstruite (2x1)
Maximise l’adhésion donc le
mouillage, favorise l’orientation (001)
2-Minimisation du rapport V/III Jusqu’en limite de désorption
Favorise In-O/InP donc favorise
l’orientation (001) et le mouillage
3-Maximisation de la densité d’îlots Limiter la formation de macles lors de l’étape de coalescence
430°C430°C
{001}
10 nm
Formation de couches 2D par coalescence Etape 1
Îlots (001) 430°C430°CEtape 3
croissance
2 µm2 µm
480°C – 10-5 Torr conditions InP standard
Etape 2 coalescence
Température élevée (510°C) P faible (10-6 Torr) diffusion de surface
Conditions de croissance optimisées pour limiter la densité de macles tout en maximisant la taille des domaines de phase (1µm)
Hétérostructure à puits quantique InAsP/InP/STO/Si (e ~ 1 µm)
108 macles/cm2 à 500 nm de l’interface
-2.0 -1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
100
200
300
400
500
(c)
w (°)
44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 701
10
100
1000
10000
Inte
ns
ity
(c
ou
nts
)
2/w (°)
(b)
0.69°
Si 004InP 004
InAsP 004STO 002
InP 004
0.27°
-2.0 -1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
100
200
300
400
500
(c)
w (°)
44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 701
10
100
1000
10000
Inte
ns
ity
(c
ou
nts
)
2/w (°)
(b)
0.69°
Si 004InP 004
InAsP 004STO 002
InP 004
0.27°
Sur STO/Si Sur Si
900 1000 1100 1200 13000.0
5.0x103
1.0x104
1.5x104
2.0x104
2.5x104
Inte
nsit
y (
Co
un
ts)
Wavelength (nm)
Gallery modes
300K
quasi-CW
900 1000 1100 1200 13000.0
5.0x103
1.0x104
1.5x104
2.0x104
2.5x104
Inte
nsit
y (
Co
un
ts)
Wavelength (nm)
Gallery modes
300K
quasi-CW
Rendement de PL environ 70 fois inférieur à celui d’un puits équivalent épitaxié sur InP
0.8 0.9 1.0 1.1 1.20.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 300 K
PL
in
ten
sit
y (
a.u
.)
Energy (eV)
FWHM = 39 meV
InAsP/InP/STO/Si : propriétés optiques
-3.5 -3.0 -2.5 -2.00.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
CsPbBr3
CsEuCl3CsPbCl3
CsYbCl3
CsCaCl3
CsCdCl3
CsPbF3CsEuF3
CsSrF3
CsIO3
CsYbF3
CsCaF3
CsCdF3RbCaF3 BaPaO3
BaCeO3
BaPrO3
BaTbO3BaPbO3TlMnF3
BaZrO3BaHfO3
BaSnO3LaInO3SrZrO3 BaIrO3BaNbO3
NdInO3SrHfO3BaRuO3
BaMoO3SrSnO3EuInO3SrNbO3BaTiO3CaZrO3
BaFeO3LiBaF3 CaHfO3SrMoO3AgZnF3
CaSnO3SrTcO3NaVF3 LaRhO3AgNiF3 SrRuO3
LaFeO3LaTiO3LaVO3SrTiO3EuTiO3SrVO3PrVO3SmVO3 PrFeO3NaTaO3NaZnF3 LaCrO3LaGaO3NdFeO3PrGaO3NdGaO3
PrCrO3NaWO3SmFeO3NaMgF3 CaRuO3CaTiO3 EuGaO3EuFeO3NdCrO3PrMnO3SrMnO3EuCrO3NdMnO3GdCrO3
YFeO3LaAlO3CeAlO3YCrO3CaVO3PrAlO3NdAlO3 SmCoO3SmAlO3NaAlO3EuAlO3GdAlO3
YAlO3
2D pseudomorphic
2D "relaxed"InP/STO
a/a
wit
h r
esp
ect
to In
P
X cation - X oxygen (Pauling)
Towards larger adhesion
Croissance 2D faiblement contrainte : -BaHfO3/Si (a/a = 0.5% avec InP) -Interfaces SrAl2 pour augmenter l’adhésion (Demkov 2012)
Croissance 2D avec réseau de dislocations d’interface : -Pérovskites fluorées (peut-on les épitaxier par MBE?)
Choix d’un nouveau template d’oxyde
Approfondissement des études fondamentales des premiers stades de la relaxation dans les systèmes faiblement liés
Projet Blanc Menox
Vers une croissance initialement 2D de III-V/oxyde
Interfaces type SrAl2
Templates de BaHfO3
Croissance de BaTiO3/GaAs maîtrisée
Mémoire optique (projet P2N OPTIMA)
Vers des hétérostructures fonctionnelles combinant III-V et oxydes sur Si
Perspectives
Impact du projet COMPHETI 11 articles dans des revues internationales à comité de lecture (dont 2 soumis)
Accommodation at the interface of highly dissimilar semiconductor/oxide epitaxial systems, G. Saint-Girons et al., Phys. Rev. B 80, 155308, (2009). Optically active defects in an InAsP/InP quantum well monolithically grown on SrTiO3/Si(001), J. Cheng et al., Appl. Phys. Lett. 95, 232116, (2009). Partial arsenic pressure and crystal orientation during the molecular beam epitaxy of GaAs on SrTiO3(001), J. Cheng et al., J. Appl. Phys. 107, 094902, (2010) Direct growth of InAsP/InP quantum well heterostructures on Si using cristalline SrTiO3/Si templates, B. Gobaut, et al., Appl. Phys. Lett. 97, 201908, (2010). Evidence for the formation of two phases during the growth of SrTiO3 on silicon, G. Niu et al., Phys. Rev. B 83, 054105, (2011). Direct epitaxial growth on InP based heterostructures on SrTiO3/Si(001) crystalline templates, G. Saint-Girons et al., Microelec. Eng. 88, 469, (2011). Crystallographic orientation transition of InP islands on SrTiO3 substrates with the growth temperature, A. Chettaoui et al., Surf. Sci. 605, 912, (2011). Heteroepitaxy of SrTiO3 thin films on Si(001) using different growth strategies : toward substratelike quality, G. Niu, et al., (2011). Ge/SrTiO3(001) interface probed by soft x-ray synchrotron radiation time-resolved photoemission, M. El-Kazzi et al., Phys. Rev. B 85, 075317, (2012) Ge/SrTiO3(001): correlation between interface chemistry and crystallographic orientation, B. Gobaut et al., soumis à PRB New Interface Accommodation Mechanism for Weakly Interacting Epitaxial Systems, A. Danescu et al., soumis à PRL
7 conférences invitées, dont 6 internationales (MBE 2010, EuroMBE 2009, SISC 2012,…) 2 séminaires invités (LPN 2010, CRHEA 2012) >10 communications (oraux/posters) dans des conférences internationales Nombreuses communications dans des conférences nationales/sans actes
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