compheti compliance des hétérointerfaces semiconducteurs

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°


Paroi de

domaine

STO(2x1) STO(1x2)

60°

(a) (b)Mâcle

Paroi de

domaine

STO(2x1) STO(1x2)

60°


Paroi de

domaine

STO(2x1) STO(1x2)

60°

(a) (b)Mâcle

Paroi de

domaine

STO(2x1) STO(1x2)

60°

Domainboundary

Domaines d’antiphase









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


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


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


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

compheti compliance des hétérointerfaces semiconducteurs

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