janvier 2015 – septembre 2018

Projet ANR-14-CE26-0014 (ANR)

ANTIPODE est un projet de recherche fondamentale qui vise à comprendre en profondeur la formation des interfaces entre les semi-conducteurs (SC) III-V et le Si afin de contrôler la génération des défauts lors de la croissance épitaxiale. Le projet propose d’étudier trois matériaux SC III-V, non seulement parce qu’ils sont tous pertinents pour les applications photoniques (de l’UV à IR), mais aussi car ils permettent d’explorer des couches en compression, en tension et en quasi-accord de maille.

Contexte

Le 10 Décembre 2012, IBM a annoncé une véritable rupture technologique : l’intégration de différents composants optiques côte-à-côte avec des circuits électriques sur une seule puce de silicium et avec une technologie 90 nm. Toutefois, le développement de sources laser sur puce est toujours une partie limitante dans ce schéma d’intégration. Pour augmenter le niveau d’intégration de la photonique à moyen terme, l’une des voies les plus prometteuses en terme de performances et de rentabilité est de réaliser l’épitaxie directe de semi-conducteurs III-V sur la puce de silicium. Cette idée a été largement étudiée dans le début des années 80, et a été revisitée récemment par trois laboratoires français qui ont démontré des fonctionnalités optiques avancées ou des émetteurs sur silicium à base de GaSb/AlSb (IES Montpellier), GaP/AlP (FOTON Rennes) ou GaN/AIN (au CRHEA Valbonne) sur silicium. A partir de leurs précédentes expériences, IES, FOTON et CRHEA font le même constat: la qualité générale des matériaux III-V/Si est entièrement déterminée par la qualité de l’interface, c’est à dire par la surface initiale de Si, et les premières monocouches III-V.

Objectifs

Le projet ANTIPODE a les trois objectifs suivants:

  • Compréhension du mécanisme de nucléation 3D des semi-conducteurs III-V (y compris la génération de défauts au cours de la coalescence) et de la relaxation des contraintes sur silicium.
  •  Compréhension de la nature et du rôle des charges d’interface sur la génération des défauts.
  •  Compréhension de l’influence de la surface initiale du silicium sur la génération des défauts.

Phases

Antipode fait suite au projet ANR « Jeune Chercheur » Sinphonic terminé en décembre 2014 se proposant d’étudier la croissance épitaxiale du GaP(N) sur Si.

Production scientifique

47 documents

Journal articles12 document

  • Eric Tournié, Laura Monge Bartolome, Marta Rio Calvo, Zeineb Loghmari, Daniel Díaz-Thomas, et al.. Mid-infrared III–V semiconductor lasers epitaxially grown on Si substrates. Light: Science and Applications, 2022, 11, ⟨10.1038/s41377-022-00850-4⟩. ⟨hal-03684843⟩
  • Lipin Chen, Mahdi Alqahtani, Christophe Levallois, Antoine Létoublon, Julie Stervinou, et al.. Assessment of GaPSb/Si tandem material association properties for photoelectrochemical cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2021, 221, pp.110888. ⟨10.1016/j.solmat.2020.110888⟩. ⟨hal-03031939⟩
  • Lipin Chen, Oliver Skibitzki, Laurent Pedesseau, Antoine Létoublon, Julie Stervinou, et al.. Strong Electron–Phonon Interaction in 2D Vertical Homovalent III–V Singularities. ACS Nano, 2020, 14 (10), pp.13127-13136. ⟨10.1021/acsnano.0c04702⟩. ⟨hal-03032030⟩
  • Charles Cornet, Simon Charbonnier, Ida Lucci, Lipin Chen, Antoine Létoublon, et al.. Zinc-blende group III-V/group IV epitaxy: Importance of the miscut. Physical Review Materials, 2020, 4 (5), pp.053401. ⟨10.1103/PhysRevMaterials.4.053401⟩. ⟨hal-02878985⟩
  • Mahdi Alqahtani, Sanjayan Sathasivam, Lipin Chen, Pamela Jurczak, Rozenn Piron, et al.. Photoelectrochemical water oxidation of GaP 1−x Sb x with a direct band gap of 1.65 eV for full spectrum solar energy harvesting. Sustainable Energy & Fuels, 2019, 3 (7), pp.1720-1729. ⟨10.1039/C9SE00113A⟩. ⟨hal-02178176⟩
  • Anne Ponchet, G. Patriarche, J. B. Rodriguez, L. Cerutti, E. Tournié. Interface energy analysis of III–V islands on Si (001) in the Volmer-Weber growth mode. Applied Physics Letters, 2018, 113 (19), pp.191601. ⟨10.1063/1.5055056⟩. ⟨hal-01913668⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, L. Pedesseau, Maxime Vallet, Laurent Cerutti, et al.. Universal description of III-V/Si epitaxial growth processes. Physical Review Materials, 2018, 2 (6), pp.060401(R). ⟨10.1103/PhysRevMaterials.2.060401⟩. ⟨hal-01833206⟩
  • N. Mante, S. Rennesson, E. Frayssinet, L. Largeau, F. Semond, et al.. Proposition of a model elucidating the AlN-on-Si (111) microstructure. Journal of Applied Physics, 2018, 123 (21), pp.215701. ⟨10.1063/1.5017550⟩. ⟨hal-02322400⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Maxime Vallet, Pascal Turban, Yoan Léger, et al.. A Stress-Free and Textured GaP Template on Silicon for Solar Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2018, 28 (30), pp.1801585. ⟨10.1002/adfm.201801585⟩. ⟨hal-01803990⟩
  • Pierre Guillemé, Yannick Dumeige, Julien Stodolna, Maxime Vallet, Tony Rohel, et al.. Second harmonic generation in gallium phosphide microdisks on silicon: from strict $\bar{4}$ to random quasi-phase matching. Semiconductor Science and Technology, 2017, 32 (6), pp.065004. ⟨10.1088/1361-6641/aa676d⟩. ⟨hal-01529567⟩
  • Pierre Guillemé, Maxime Vallet, Julien Stodolna, Anne Ponchet, Charles Cornet, et al.. Antiphase domain tailoring for combination of modal and 4¯ -quasi-phase matching in gallium phosphide microdisks. Optics Express, 2016, 24 (13), pp.14608. ⟨10.1364/OE.24.014608⟩. ⟨hal-01396654⟩
  • Yanping Wang, Julien Stodolna, Mounib Bahri, Jithesh Kuyyalil, Thanh Tra Nguyen, et al.. Abrupt GaP/Si hetero-interface using bistepped Si buffer. Applied Physics Letters, 2015, 107 (19), pp.191603. ⟨10.1063/1.4935494⟩. ⟨hal-01228809⟩

Conference papers23 document

  • C. Cornet, Gabriel Loget, Bruno Fabre, Yoan Léger, Nicolas Bertru. Production d’hydrogène solaire par photo-électrolyse. 2ème Journée bretonne Hydrogène R&D – formation, May 2024, Saint-Malo, France. ⟨hal-04745177⟩
  • Charles Cornet, Lipin Chen, Mekan Piriyev, Gabriel Loget, Bruno Fabre, et al.. Hétéro-épitaxie III-V/Si : contrôle des propriétés des surfaces et interfaces pour la photo-électrochimie. 35èmes Journées Surfaces et Interfaces, Jan 2022, Dijon (virtual), France. ⟨hal-03588378⟩
  • Jean-Baptiste Rodriguez, M. Rio Calvo, Laurent Cerutti, Laura Monge-Bartolomé, M. Bahriz, et al.. Near- to mid- IR antimonide optoelectronic devices epitaxially integrated on on-axis (001) Si substrates. The 9th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence, Nov 2019, Tokyo, Japan. ⟨hal-02383950⟩
  • C. Cornet. Mécanisme de croissance universel des III-V/Si. Conférence plennière GDR PULSE 2019, Jul 2019, Clermont-Ferrand, France. ⟨hal-03408420⟩
  • Charles Cornet, Ida Lucci, Lipin Chen, Laurent Pedesseau, Rozenn Bernard, et al.. Universal growth mechanism of III-V/Si: using antiphase boundaries for devices.. Réunion plénière du GDR Pulse (PULSE 2019), Jul 2019, Clermont-Ferrand, France. ⟨hal-02189095⟩
  • C. Cornet, Lipin Chen, Alejandro Ruiz, Ida Lucci, Alexandre Beck, et al.. Monolithic integration of III-V semiconductors on silicon for photonics and solar hydrogen production. SPb Photonic, Optoelectronic, & Electronic Materials (SPb-POEM 2019), Apr 2019, St Petersburg, Russia. ⟨hal-02112743⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Laurent Pedesseau, Maxime Vallet, Laurent Cerutti, et al.. A universal mechanism to describe III-V epitaxy on Si. 20th European Molecular Beam Epitaxy Workshop (Euro-MBE 2019), Feb 2019, Lenggries, Germany. ⟨hal-02048639⟩
  • Charles Cornet, Ida Lucci, Lipin Chen, Alejandro Ruiz, Alexandre Beck, et al.. GaP-based materials on silicon for photonics and energy. Smart NanoMaterials 2018: Advances, Innovation and Applications (SNAIA2018), Dec 2018, Paris, France. ⟨hal-01954362⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Laurent Pedesseau, Maxime Vallet, Laurent Cerutti, et al.. A universal mechanism to describe the III-V on Si growth by Molecular Beam Epitaxy. 20th International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (ICMBE 2018), Sep 2018, Shanghai, China. pp.Th-C1-3(S). ⟨hal-01910554⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Maxime Vallet, Pascal Turban, Yoan Léger, et al.. Large scale textured GaP(114) growth on vicinal Si substrate by Molecular Beam Epitaxy for water splitting applications. 20th International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (ICMBE 2018), Sep 2018, Shanghai, China. pp.Tu-P-43(S). ⟨hal-01910556⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Laurent Pedesseau, Maxime Vallet, Laurent Cerutti, et al.. III-V/Si heterogeneous growth : thermodynamics and antiphase domains formation. 34th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2018), Jul 2018, Montpellier, France. ⟨hal-01910543⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Laurent Pedesseau, Maxime Vallet, Laurent Cerutti, et al.. A general III-V/Si growth process description. European Materials Research Society - Spring Meeting 2018 (E-MRS 2018 Spring Meeting), Jun 2018, Strasbourg, France. ⟨hal-01910535⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Maxime Vallet, Pascal Turban, Yoan Léger, et al.. (114) GaP surface texturation on Si for water splitting. EMRS Spring meeting 2018, Jun 2018, Strasbourg, France. ⟨hal-01708047⟩
  • C. Cornet. La préparation du silicium pour l’hétéro-épitaxie. Atelier GDR 2018 sur la préparation des substrats pour l'épitaxie, IEMN 2018, May 2018, Villeneuve d'Ascq, France. ⟨hal-01864265⟩
  • Charles Cornet. La préparation du silicium pour l’hétéroépitaxie. Conférence GDR PULSE sur la préparation des substrats pour l'épitaxie 2018, May 2018, Lille, France. ⟨hal-03408428⟩
  • Simon Charbonnier, Ida Lucci, Subhashis Gangopadhyay, Yanping Wang, Tony Rohel, et al.. GaP/Si(001) polar-on-nonpolar epitaxial growth revisited by scanning tunneling microscopy.. Réunion plénière du GDR Pulse (PULSE 2017), Oct 2017, Paris, France. ⟨hal-01715954⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Maxime Vallet, Tony Rohel, Rozenn Bernard, et al.. III-V/Si 3D crystal growth: a thermodynamic description. Energy Materials Nanotechnology Meeting 2017 / Collaborative Conference on Crystal Growth (EMN 3CG 2017), Aug 2017, Berlin, Germany. ⟨hal-01708282⟩
  • Maxime Vallet, Ida Lucci, Mounib Bahri, Antoine Létoublon, Ludovic Largeau, et al.. Role of marker layers on antiphase domains in GaP/Si heterostructures. Extended Defects in Semiconductors (EDS 2016), Sep 2016, Les Issambres, France. ⟨hal-01496758⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Yanping Wang, M. Bahri, Maxime Vallet, et al.. 3D GaP/Si(001) growth mode and antiphase boundaries. 19th International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (IC-MBE 2016), Sep 2016, Montpellier, France. ⟨hal-01497144⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Yanping Wang, Mounib Bahri, Maxime Vallet, et al.. Etude de la croissance cohérente de GaP/Si(001) en couche mince. Réunion plénière du GDR Pulse (PULSE 2016), Jul 2016, Marseille, France. ⟨hal-01497149⟩
  • Pierre Guillemé, Julie Le Pouliquen, Tony Rohel, Maxime Vallet, Julien Stodolna, et al.. Impact of crystal antiphase boundaries on second harmonic generation in GaP microdisks. European Materials Research Society - Spring Meeting 2016 (E-MRS 2016 Spring Meeting), May 2016, Lille, France. ⟨hal-01497145⟩
  • Yanping Wang, Antoine Létoublon, Thanh Tra Nguyen, Charles Cornet, Nicolas Bertru, et al.. Analyse quantitative des antiphases dans des nanocouches épitaxiales GaP/Si pour la photonique sur silicium. Rayons X & Matière 2015, Dec 2015, Grenoble, France. ⟨hal-01497228⟩
  • Charles Cornet, O. Skibitzki, M. Bahri, Yanping Wang, Pierre Guillemé, et al.. (In)GaP integration on Si for photonics and energy. European Materials Research Society - Fall Meeting 2015 (E-MRS 2015 Fall Meeting), Sep 2015, Warsaw, Poland. ⟨hal-01497184⟩

Poster communications9 document

  • Lipin Chen, Oliver Skibitzki, Yoan Léger, Christophe Levallois, Rozenn Piron, et al.. Photoluminescence of 2D-vertical In-rich APBs embedded in InGaP/SiGe/Si. 20th International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (ICMBE 2018), Sep 2018, Shanghai, China. 2018. ⟨hal-01909074v2⟩
  • Lipin Chen, Oliver Skibitzki, Yoan Léger, Christophe Levallois, Rozenn Piron, et al.. Excitons bounded around In-rich antiphase boundaries. 34th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2018), Jul 2018, Montpellier, France. 2018. ⟨hal-01864401⟩
  • Lipin Chen, Oliver Skibitzki, Rozenn Piron, Julie Stervinou, Antoine Létoublon, et al.. Antiphase boundaries in InGaP/SiGe/Si : structural and optical properties. European Materials Research Society - Spring Meeting 2018 (E-MRS 2018 Spring Meeting), Jun 2018, Strasbourg, France. 2018. ⟨hal-01864388⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Yanping Wang, Tony Rohel, Rozenn Bernard, et al.. Study of the 3D growth mode of III-V on Si by DFT. Réunion plénière du GDR Pulse (PULSE 2017), Oct 2017, Paris, France. ⟨hal-01708149⟩
  • Simon Charbonnier, Ida Lucci, Subhashis Gangopadhyay, Yanping Wang, Tony Rohel, et al.. GaP/Si(001) polar-on-nonpolar epitaxial growth revisited by scanning tunneling microscopy. 31è colloque Journées Surfaces et Interfaces (JSI 2017), Jan 2017, Rennes, France. ⟨hal-01715988⟩
  • Simon Charbonnier, Ida Lucci, S. Gangopadhyay, Yanping Wang, Tony Rohel, et al.. Scanning tunneling microscopy investigation of GaP MBE growth on nominal and vicinal Si(001) substrates for optoelectronic applications. 19th International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (IC-MBE 2016), Sep 2016, Montpellier, France. ⟨hal-01496729⟩
  • Simon Charbonnier, Ida Lucci, S. Gangopadhyay, Yanping Wang, Tony Rohel, et al.. Etude par microscopie à effet tunnel de la croissance épitaxiale de GaP sur substrats Si(001) nominaux et vicinaux pour l’optoélectronique. Réunion plénière du GDR Pulse (PULSE 2016), Jul 2016, Marseille, France. ⟨hal-01497147⟩
  • Ida Lucci, Simon Charbonnier, Yanping Wang, Mounib Bahri, Maxime Vallet, et al.. Relationship between antiphase domains, roughness and surface/interface energies during the epitaxial growth of GaP on Si. European Materials Research Society - Spring Meeting 2016 (E-MRS 2016 Spring Meeting), May 2016, Lille, France. ⟨hal-01497064⟩
  • Simon Charbonnier, Ida Lucci, S. Gangopadhyay, Yanping Wang, Tony Rohel, et al.. Scanning tunneling microscopy investigation of GaP epitaxial growth on nominal and vicinal Si(001) substrates for optoelectronic applications. European Materials Research Society - Spring Meeting 2016 (E-MRS 2016 Spring Meeting), May 2016, Lille, France. ⟨hal-01497071⟩

Book sections3 document

  • Eric Tournié, Andrea Castellano, Karine Madiomanana, Grégoire Narcy, Alexandre Garreau, et al.. GaSb Lasers Grown on Silicon Substrate for Telecom Applications. Molecular Beam Epitaxy, Elsevier, pp.625-635, 2018, 978-0-12-812136-8. ⟨10.1016/B978-0-12-812136-8.00029-3⟩. ⟨hal-02342603⟩
  • Charles Cornet, Mickael da Silva, Christophe Levallois, Olivier Durand. Chapter 28 - GaP/Si-Based Photovoltaic Devices Grown by Molecular Beam Epitaxy. Molecular Beam Epitaxy (Second Edition)From Research to Mass Production, pp.637-648, 2018, ⟨10.1016/B978-0-12-812136-8.00030-X⟩. ⟨hal-01859116⟩
  • Eric Tournié, Jean-Baptiste Rodriguez, Laurent Cerutti, Roland Teissier, Alexei Baranov. Epitaxial Integration of Antimonide-Based Semiconductor Lasers on Si. Silicon Photonics, 99, Academic Press, pp.1-25, 2018, Semiconductor and Semimetals, 978-0-12-815099-3. ⟨10.1016/bs.semsem.2018.08.002⟩. ⟨hal-02342602⟩

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ANTIPODE : Advanced aNalysis of III-V/Si nucleaTIon for highly integrated PhOtonic Devices
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