novembre 2021 – octobre 2025
Projet ANR-21-CE24-0006 (ANR)
Ce projet a pour but de mener des investigations in situ pour élucider la formation de défauts hétéroépitaxiaux III-V/Si, suivre en temps réel leur évolution structurelle et identifier des stratégies pour y remédier.
Sommaire
Contexte
L’intégration de semi-conducteurs composés III-V sur des substrats en Si (001) est un défi de longue date, qui a motivé de nombreuses recherches au cours des 40 dernières années. Cette intégration est une voie pour réduire considérablement le coût de fabrication de nombreux dispositifs puisque les procédés industriels standard en Si offrent les avantages d’un substrat moins cher et plus grand. De plus, une large gamme de dispositifs photoniques passifs et leur technologie de fabrication mature sont disponibles sur la plateforme Si. Cela donne une plus grande flexibilité pour concevoir des circuits intégrés photoniques (PIC) par rapport aux technologies III-V pures et ouvre un certain nombre de possibilités, par ex. dans le domaine des lasers, de la production d’énergie photovoltaïque ou le stockage d’énergie via la production d’hydrogène solaire. Dans ce contexte, l’épitaxie de semiconducteurs III-V sur Si (001) est hautement stratégique, mais les nombreux défauts cristallins créés dès l’étape de nucléation, sont un obstacle au développement de la photonique sur Si.
Objectifs
Nous proposons d’explorer in situ et à l’échelle atomique, la formation des défauts III-V/Si, de suivre en temps réel leur évolution structurelle et d’identifier des stratégies pendant la croissance pour les rendre moins nuisibles. Nous configurerons NanoMAX (un microscope électronique en transmission équipé de sources de jets moléculaires) pour atteindre ces objectifs. Les conditions initiales reproduiront celles utilisées dans les bâtis MBE conventionnels et à leur tour, les conditions optimisées dans NanoMAX seront appliquées à la croissance d’hétérostructures pour dispositifs. L’interprétation des observations in situ sera accompagnée de calculs DFT, de caractérisations ex situ et de la mesure des performances des dispositifs fabriqués avec des conditions de nucléation optimisées.
Phases
Le projet NUAGES fait suite au projet ANR ANTIPODE terminé en 2018 visant à clarifier les mécanismes de nucléation des semi-conducteurs III-V sur Si.
Production scientifique
Articles dans une revue
- Divishth Gupta, Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Simon Thebaud, Charles Cornet, Laurent Pedesseau. Stability of monodomain III-V crystals and antiphase boundaries over a Si monoatomic step. Applied Surface Science, 2024, 678, pp.161076. ⟨10.1016/j.apsusc.2024.161076⟩. ⟨hal-04722879⟩
- S Pallikkara Chandrasekharan, D Gupta, C Cornet, L Pedesseau. Inevitable Si surface passivation prior to III-V/Si epitaxy: Strong impact on wetting properties. Physical Review B, 2024, 109 (4), pp.045304. ⟨10.1103/physrevb.109.045304⟩. ⟨hal-04429691⟩
- A Gilbert, K Graser, M Ramonda, A Trampert, J.-B Rodriguez, et al.. Reduction of the threading dislocation density in GaSb layers grown on Si(001) by molecular beam epitaxy. Advanced Physics Research, In press. ⟨hal-04738224⟩
- Lipin Chen, Zewen Chen, Jinshi Zhao, Laurent Pedesseau, C. Cornet. Strain-induced band-to-band Fermi level tuning in II-VI and III-V antiphase boundaries. Physical Review B, 2024, Physical Review, 109 (8), pp.085404. ⟨10.1103/physrevb.109.085404⟩. ⟨hal-04478340⟩
- Audrey Gilbert, Michel Ramonda, Laurent Cerutti, Charles Cornet, Gilles Patriarche, et al.. Epitaxial Growth of III‐Vs on On‐Axis Si: Breaking the Symmetry for Antiphase Domains Control and Burying. Advanced Optical Materials, 2023, 11 (15), ⟨10.1002/adom.202203050⟩. ⟨hal-04107444⟩
- S. Pallikkara Chandrasekharan, I. Lucci, D. Gupta, C. Cornet, L. Pedesseau. Determination of III-V/Si absolute interface energies: impact on wetting properties. Physical Review B, 2023, 108 (7), pp.075305. ⟨10.1103/PhysRevB.108.075305⟩. ⟨hal-04224894v2⟩
- Lipin Chen, Laurent Pedesseau, Yoan Léger, Nicolas Bertru, Jacky Even, et al.. Antiphase boundaries in III-V semiconductors: Atomic configurations, band structures, and Fermi levels. Physical Review B, 2022, 106 (16), pp.165310. ⟨10.1103/PhysRevB.106.165310⟩. ⟨hal-03966732⟩
Communications dans un congrès
- C. Cornet. Solar Hydrogen production. PEPR H2 training school, Oct 2024, La Grande Motte, France. ⟨hal-04745150⟩
- Audrey Gilbert, Eric Tournié, Gilles Patriarche, C. Cornet, Michel Ramonda, et al.. The direct epitaxial growth of III-Vs on Silicon substrate. Journées Nano, Micro et Optoélectronique (JNMO 2024), Oct 2024, Sete, France. ⟨hal-04737922⟩
- Audrey Gilbert, Gilles Patriarche, C. Cornet, Eric Tournié, Michel Ramonda, et al.. Revisiting the epitaxy of III-Vs on group-IV substrates. The 23rd International Conference on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE 2024), Sep 2024, Matsue, Japan. ⟨hal-04737783⟩
- Charles Cornet, Audrey Gilbert, Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Divishth Gupta, Laurent Cerutti, et al.. Understanding III-V/Si Heteroepitaxy: Experiments and Theory. 8th European conference on crystal growth, Jul 2024, Warsaw, Poland. ⟨hal-04745129⟩
- 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⟩
- Divishth Gutpa, Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Simon Thébaud, Laurent Pedesseau, Charles Cornet. Stability of monodomain III-V crystals over a Si monoatomic step including the formation of antiphase boundaries. EMRS spring meeting 2024, May 2024, Strasbourg, France. ⟨hal-04745358⟩
- C. Cornet, Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Audrey Gilbert, Divita Gupta, Philippe Vennéguès, et al.. III-V/Si epitaxial growth and antiphase domains: a matter of symmetry. OSEPI : Epitaxie des oxydes et des semiconducteurs, GDR MATEPI, May 2024, Fréjus, France. ⟨hal-04738319⟩
- A Gilbert, J.-B Rodriguez, M Rio Calvo, M Ramonda, L Cerutti, et al.. Distribution initiale de phase et enfouissement des domaines d'antiphase lors de la croissance III-Vs/Si (001). GdR MatÉpi, Jul 2023, Paris, France. ⟨hal-04282848⟩
- Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, D Gupta, Anne Ponchet, Gilles Patriarche, Jean-Baptiste Rodriguez, et al.. Wetting properties of heteroepitaxial systems determined from surface and interface energies calculations. “Fundamental research – New materials” COST 2023 workshop, Apr 2023, Madrid, France. ⟨hal-04224975⟩
- A Gilbert, J.-B Rodriguez, M Rio Calvo, M Ramonda, L Cerutti, et al.. Influence of the initial phase distribution on antiphase domains control and burying in MBE growth of III-Vs on "on-axis" Si. European Workshop on Molecular Beam Epitaxy (EuroMBE 2023), Apr 2023, Madrid, Spain. ⟨hal-04111876⟩
- Audrey Gilbert, Jean-Baptiste Rodriguez, Marta Rio Calvo, Michel Ramonda, Laurent Cerutti, et al.. Molecular beam epitaxy of III-V semiconductors on group-IV (001) substrates: Formation and burying of antiphase domains.. 22nd International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (ICMBE 2022), Sep 2022, Sheffield, United Kingdom. ⟨hal-03806222⟩
Poster de conférence
- Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Fauzia Jabeen, Charles Cornet, Laurent Pedesseau. Atomic scale description of III-V/Si (001) heteroepitaxial crystals. 23rd International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (ICMBE 2024), Sep 2024, Matsue, Japan. ⟨hal-04745307⟩
- Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Divishth Gutpa, Charles Cornet, Laurent Pedesseau. Heteroepitaxial growth of III-V on Si: a DFT perspective. 36th International Confererence on the Physics of Semiconductors 2024., Jul 2024, Ottawa, Canada. ⟨hal-04745324⟩
- Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Divishth Gutpa, C. Cornet, Laurent Pedesseau. Impact of initial surface passivation on wetting properties analysis during III-V/Si epitaxy. E-MRS 2024 Spring meeting, May 2024, Strasbourg, France. ⟨hal-04597986⟩
- Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Ida Lucci, Divishth Gutpa, Charles Cornet, Laurent Pedesseau. Absolute surface and interface energy analysis of III-V/Si and its consequences on wetting characteristics. Journées Surfaces & Interfaces 2024, Jan 2024, Grenoble, France. ⟨hal-04417767⟩
- Sreejith Pallikkara Chandrasekharan, Divishth Gutpa, Laurent Pedesseau, Charles Cornet. Impact of surface passivation of III-V elements on Si (001) substrate based on absolute surface and barrier energy calculations. Journée Scientifique SFP-SCF Bretagne & Pays de Loire 2023, May 2023, Rennes, France. 2023. ⟨hal-04110076v2⟩
- Mekan Piriyev, Lipin Chen, Hanh Le Vi, Gabriel Loget, Sylvain Tricot, et al.. Using in-plane built-in electric fields and electrical shunts of antiphase boundaries for III-V/Si solar harvesting devices. 21st EuroMBE Workshop, Apr 2023, Madrid, Spain. 2023. ⟨hal-04225037⟩
- Laurent Pedesseau, Lipin Chen, Ida Lucci, D. Gupta, C. Cornet. Determination of absolute “surface and interface” energies in heterogeneous materials systems and hetero-interfaces: A theoretical approach. European Materials Research Society (EMRS) Fall Meeting 2022, Sep 2022, Warsaw, Poland. 2022. ⟨hal-04225099⟩
Documents récupérés de l'archive ouverte HAL 
Partenaires
C2N (Paris-Saclay), Inst. FOTON (Rennes), IES (Montpellier).
Coordinateur
Gilles PATRIARCHE (C2N)
Coordinateur iFOTON: Charles CORNET (Foton-OHM)
Financement
ANR (425 k€)
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