Le GeSn : un nouveau semiconducteur de la colonne IV

Le GeSn : un nouveau semiconducteur de la colonne IV pour l'émission de
lumière
Contact : Nicolas PAUC DSM/INAC/SP2M/SINAPS [email protected] 0438781804
Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Résumé :
Le Ge1-xSnx est un nouveau venu dans la famille des semiconducteurs. Ce composé possède la propriété unique et remarquable pour un alliage de
la colonne IV de présenter, à déformation nulle, un gap direct pour certaines compositions d'étain. Nous proposons dans ce stage un travail
expérimental d'élaboration de ce composé et d'étude de sa structure de bandes via des mesures électro-optiques.
Sujet détaillé :
Les semiconducteurs de la colonne IV tels le silicium, le germanium ou leurs alliages sont les matériaux dominants de l'électronique actuelle. L'ajout
de fonctionnalités optiques aux circuits électroniques en Si est un axe de recherche majeur dans le domaine et représenterait une réelle rupture pour
le traitement de l'information sur puce. Les briques de base telles que le guidage ou la détection de lumière sont disponibles aujourd'hui. En revanche,
intégrer une source efficace de photons sur un circuit demande d'hybrider le silicium avec des semiconducteurs à fort rendement radiatif et à gap
direct (autres que SiGe), et complexifie en retour les procédés de fabrication. Le verrou constitué par le caractère indirect de la bande interdite du Ge
peut cependant être levé par deux voies qui ont vu le jour ces dernières années et qui permettraient à terme d'intégrer facilement un émetteur de
lumière efficace en semiconducteur IV dans des procédés CMOS.
D'une part, l'ingénierie de la concentration de la déformation du cristal dans des nanostructures de Ge a permis d'atteindre, notamment au
laboratoire, des déformations de type uniaxe ou biaxe sur Ge de plusieurs pourcents, donnant accès au régime pseudo direct du Ge.
D'autre part, la synthèse récente par des nouveaux procédés CVD basse température (Chemical Vapor Deposition) de nouveaux alliages relaxés et à
gap direct de type Ge1-xSnx, a conduit à l'observation de l'effet laser en 2015 dans des couches de Ge0.87Sn13 [1].
Ce stage s'inscrit dans cette deuxième approche et a plusieurs objectifs. Il s'agira tout d'abord de participer aux études de croissance, déjà initiées au
laboratoire, de nanofils de GeSn (dopés p n ou non) synthétisés par la méthode CVD VLS (Vapeur Liquide Solide) et de couches 2D obtenues en
régime non catalysé. La croissance VLS permet, à partir des propriétés catalytiques de décomposition des gaz précurseurs par un germe métallique,
d'exalter à basse température la cinétique de croissance cristalline. Cette approche peut constituer une voie originale à l'obtention de nanostructures
unidimensionnelles de la famille GeSn. Ce stage comporte un deuxième volet portant sur la caractérisation structurale et électro-optique des
structures synthétisées. Le taux d'étain sera mesuré par la fluorescence X induite par faisceau d'électrons. Le dopage et les jonctions pn seront
sondés via des mesures de conductivité à l'échelle du fil unique. Afin de déterminer le caractère direct ou indirect du gap fondamental, les positions
des bords de bande seront mesurées par photocourant, photoluminescence et spectroscopie d'électroabsorption en fonction de la teneur en Sn.
Ce stage sera l'occasion pour le (la) candidat(e) de se familiariser avec de nombreuses techniques expérimentales (croissance, fabrication,
caractérisation). Une implication importante en micro-nanofabrication est également attendue pour réaliser les dispositifs test (lithographie, gravure?),
ainsi qu'une bonne aptitude à collaborer avec les différents membres du laboratoire SiNaPS (croissance, optique, salle blanche) localisé sur le
campus Minatec. Ce travail est préparatoire à une thèse portant sur l'émission de lumière dans des nanostructures de Ge1-xSnx provenant de fils ou
de couches épitaxiées (cavités, LEDs?).
[1] S. Wirths et al, Nature Photonics, 9, 88?92 (2015)

Compétences requises :
Physique de ma matière condensée, optique