Croissance sélective et caractérisation de nanostructures de matériaux III-V élaborées par épitaxie par jets moléculaires

Selective area molecular beam epitaxy and characterization of III-V nanostructures

• Auteur / Autrice : Alexandre Bucamp
• Direction : Ludovic Desplanque, Xavier Wallart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Croissance

Nanofils

Matériaux nanostructurés

Diodes tunnel

Transistors MOSFET

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Mots clés libres

Semiconducteurs III-V

III-V materials

Résumé

Que ce soit pour la fabrication de transistors ultimes fonctionnant à haute fréquence et faible consommation d’énergie ou pour celle de composants quantiques exploitant le transport balistique d’électrons, l’élaboration de nanostructures de semiconducteurs III-V à faible masse effective électronique est aujourd’hui un enjeu majeur. Différentes approches existent pour atteindre des dimensions caractéristiques largement sub-100nm. Les nanostructures peuvent être définies par une approche descendante en combinant gravure sèche anisotrope et amincissement chimique digital d’une couche semiconductrice ou par une approche ascendante en élaborant directement les nanostructures désirées. Dans le deuxième cas, la croissance de nanofils catalysée par une bille métallique nanométrique a connu un engouement important ces quinze dernières années. La fabrication de composants utilisant ce procédé reste cependant très compliquée et nécessite souvent le report des nanofils sur un substrat hôte rendant extrêmement difficile la réalisation de circuits complexes. L’approche par croissance sélective dans les ouvertures d’un masque diélectrique offre au contraire des perspectives plus intéressantes. Si l’épitaxie à base d’organométalliques en phase vapeur a démontré son efficacité pour ce type de croissance, l’épitaxie par jets moléculaires peut permettre d’améliorer encore la pureté des nanostructures. C’est dans ce contexte que nous avons étudié les propriétés électriques de nanostructures III-V épitaxiées sélectivement sur substrat InP. L’utilisation d’un flux d’hydrogène atomique pendant la croissance permet d’obtenir une bonne sélectivité de croissance. Son impact sur les propriétés optiques et électriques du semiconducteur a d’abord été étudié puis l’utilisation de procédés de nanofabrication a permis l’élaboration et la caractérisation électrique de nanostructures. Des composants en InGaAs de type TLM, multi-branches ou MOSFET ont démontré la qualité des matériaux épitaxiés puisque des mobilités effectives à l’état de l’art pour ce type de matériau ont été obtenues. Grâce à l’utilisation de croissances sélectives multiples, nous avons pu élaborer des hétérostructures originales telles que des nanofils planaires à cœur InGaAs et coquille InP ou des hétérojonctions InGaAs/GaSb radiales ou axiales. Pour ces dernières, l’obtention de caractéristiques courant-tension présentant une résistance différentielle négative montre une bonne qualité d’interface, offrant des perspectives intéressantes pour la fabrication de nano-hétérojonctions tunnel.

The fabrication of nanoscale devices such as high frequency and low energy consumption transistors or quantum devices exploiting ballistic electrons transport requires the development of nanostructures with low effective mass III-V materials. Several technologies exist to reach typical dimensions well below the 100-nm range. The nanostructures can be defined by a top-down approach through a combination of anisotropic dry etching and digital chemical thinning of a semiconductor layer, or by a bottom-up approach with a direct elaboration of the nanostructures. In the second case, metal-catalyst-assisted nanowire growth has been widespread since the last fifteen years. However, the fabrication of devices based on this process is still tricky and often requires the transfer of the nanowires to a host substrate for device processing, preventing any complex circuit production. The approach by selective area growth inside dielectric mask openings exhibits a better scalability. If the organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE) has proved its efficiency for this type of growth, molecular beam epitaxy (MBE) may further improve the nanostructure purity. Within this context, we study the electrical properties of selectively grown III-V materials on InP substrate by MBE. We demonstrate that the use of an atomic hydrogen flux during the growth ensures a good selectivity with respect to the dielectric mask and has a positive impact on the optical and electrical properties of the grown semiconductor. The electrical characterization of InGaAs nanostructures is performed thanks to the development of dedicated process such as TLM, branched nanowires or MOSFET devices. It reveals good transport properties with the state-of-the-art effective mobility for this kind of alloy. We then show that selective area epitaxy is also a valuable tool to develop original heterostructures such as in-plane InGaAs/InP core-shell nanowires with raised contacts and radial or axial InGaAs/GaSb heterojunctions. For these latter, the negative differential resistances observed on the current-voltage characteristics demonstrate a good interface quality, offering interesting possibilities for tunnel nano-heterojunction development.