Intégration de matériaux 2D sur wafer de silicium

Integration of 2D materials on silicon wafers

• Auteur / Autrice : Adam Arette-Hourquet
• Direction : Isabelle Berbezier, Mathieu Abel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux 2D

Epitaxie de van der Waals

Micro-opto-électronique

2D Materials

Van der Waals epitaxy

Micro-opto electronic

Résumé

La découverte récente de matériaux bi-dimensionnels possédant une structure stable a révolutionné la physique de la matière condensée et ouvert de nouvelles applications en microélectronique permettant d'utiliser leur capacité à confiner les porteurs et à créer une réduction ultime des tailles des composants. Le graphène est composé une couche monoatomique d'atomes de carbone « flottant » sur un substrat et ayant une hybridation sp2. Il est stabilisé par le couplage anharmonique entre les modes de flexion et les modes d'étirement qui résultent en une corrugation intrinsèque de la couche. Le graphène possède des propriétés remarquables telles qu'une structure de bande en forme de cône de Dirac et une très haute mobilité des porteurs. Ses bandes de conduction et de valence se croisent en les points de Dirac, ce qui lui confère une bande interdite nulle. C'est actuellement un des matériaux les plus étudiés en physique de la matière condensée. Le but de cette thèse et son originalité est d'étudier la formation de graphène sur des wafers de silicium couramment utilisés dans l'industrie de la microélectronique. Pour cela il est nécessaire de réaliser au préalable une couche tampon sur le silicium car le graphène possède une trop grande réactivité avec le silicium et sa croissance directe sur silicium est impossible. Nous proposons donc de fabriquer une couche tampon de germanium sur isolant en partant d'un substrat SOI (Silicon On Insulator), sur lequel est épitaxié un film mince de silicium-germanium pour obtenir du Silicon-Germanium On Insulator (SGOI). Les films obtenus sont ensuite oxydés de façon à obtenir du germanium monocristallin sur oxyde. Une reprise d'épitaxie de Ge, permet d'ajuster l'épaisseur des films à volonté. Le graphène est ensuite épitaxié sur ces films tampons. Les propriétés électroniques et de surface de ces couches, seront étudiées par différentes techniques de champ proche et d'analyse de surface: STM, XPS, LEED. Les couches seront obtenues par Epitaxie par Jet Moléculaire (EJM) dans la plateforme Nanotecmat. Les oxydations thermiques seront effectuées par oxydation par recuit thermique (RTO), les caractéristiques opto-électroniques des couches obtenues seront effectuées en collaboration. Le but est d'une part de mettre en évidence la formation de couches bi-dimensionnelles avec différents niveaux de contrainte / relaxation de germanium sur de très grandes surfaces et d'autre part de les utiliser pour obtenir une couche de graphène sur Ge/SiO2/Si. Ces matériaux seront ensuite utilisés dans le cadre d'une collaboration avec d'autres laboratoires français pour une fonctionnalisation du graphène par des monofeuillets semiconducteurs qui apporteront des propriétés opto-électronique et spintronique aux dispositifs.

The recent discovery of two-dimensional materials with a stable structure has revolutionized condensed matter physics and opened up new applications in microelectronics, making use of their ability to confine carriers and create an ultimate reduction in component sizes. Graphene consists of a monoatomic layer of carbon atoms “floating” on a substrate, with sp2 hybridization. It is stabilized by anharmonic coupling between bending and stretching modes, resulting in intrinsic corrugation of the layer. Graphene possesses remarkable properties such as a Dirac cone band structure and very high carrier mobility. Its conduction and valence bands cross at Dirac points, giving it a zero bandgap. It is currently one of the most studied materials in condensed matter physics. The aim of this thesis, and its originality, is to study the formation of graphene on silicon wafers commonly used in the microelectronics industry. To achieve this, a buffer layer must first be applied to the silicon, as graphene is too reactive with silicon and cannot be grown directly on silicon. We therefore propose to fabricate a buffer layer of germanium on insulator, starting from a Silicon On Insulator (SOI) substrate, on which a thin film of silicon-germanium is epitaxied to obtain Silicon-Germanium On Insulator (SGOI). The films obtained are then oxidized to obtain single-crystal germanium on oxide. The thickness of the films can be adjusted as required using Ge epitaxy. Graphene is then epitaxied onto these buffer films. The electronic and surface properties of these layers will be studied using various near-field and surface analysis techniques: STM, XPS, LEED. The layers will be obtained by Molecular Beam Epitaxy (MBE) on the Nanotecmat platform. Thermal oxidation will be carried out by thermal annealing oxidation (RTO), and the optoelectronic characteristics of the resulting layers will be determined in collaboration. The aim is to demonstrate the formation of two-dimensional layers with different levels of germanium stress/relaxation on very large surfaces, and to use them to obtain a graphene layer on Ge/SiO2/Si. These materials will then be used as part of a collaboration with other French laboratories to functionalize graphene with semiconductor monosheets that will bring optoelectronic and spintronic properties to the devices.