Intégration de matériaux 2D sur wafer de silicium

Integration of 2D materials on silicon wafers

• Auteur / Autrice : Loïc Rayneau
• Direction : Mathieu Abel, Isabelle Berbezier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux 2D

Van der Waals

Epitaxie

2D materials

Van der Waals

Epitaxy

Résumé

La découverte récente de matériaux bi-dimensionnels possédant une structure 2D stable a révolutionné la physique de la matière condensée et ouvert de nouvelles applications. En particulier en microélectronique cela permet d'obtenir un confinement des porteurs et d'obtenir 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 de tension, qui induisent 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. C'est actuellement un des matériaux les plus prometteurs en physique de la matière condensée. L'objectif de cette thèse est de démontrer l'intégration de couches de graphène (GR) monocristallin 2D et homogène à grande échelle sur des substrats conventionnels de la microélectronique ; plus précisément sur des plaquettes de silicium sur isolant (SOI) ; matériau de base qui a progressivement remplacé les plaquettes en silicium massif. L'étudiant(e) étudiera d'une part la réalisation d'une couche tampon de Ge pur, sur une plaquette SOI. Cette couche de Ge pur et sans contrainte mécanique, servira de substrat pour le dépôt direct de GR. L'étudiant(e) devra donc élaborer cette couche tampon de Ge en couplant des procédés d'épitaxie par jet moléculaire (MBE) sous ultra-vide, de nanostructuration par lithographie optique et d'oxydation sélective. Ces dernières seront réalisées par recuit thermique sous oxygène (RTO). D'autre part, l'étudiant(e) étudiera l'épitaxie de GR sur cette couche de Ge sur SOI. Une relaxation complète de la couche tampon de germanium sera nécessaire pour permettre l'épitaxie du GR. Les propriétés électroniques, morphologiques et structurales des différentes couches seront étudiées par des techniques de microscopie en champ proche, microscopie électronique et analyses de surface (STM, AFM, HRTEM, XPS, LEED). Les systèmes réalisés seront évalués au regard de leurs caractéristiques opto-électroniques. La thèse se fera dans le cadre d'une collaboration avec les laboratoires INSP (Sorbonne Paris), SPINTEC (CEA Grenoble), LPICM (Ecole Polytechnique Paris).

The recent discovery of two-dimensional materials with a stable 2D structure has revolutionized the physics of condensed matter and opened up new applications, in particular in microelectronics, where the quantum confinement of carriers can help for the ultimate reduction of the device size. Graphene is composed of a sp2 monoatomic layer of carbon atoms ''floating'' on a substrate. It is stabilized by the anharmonic coupling between the bending and tension modes, which induce an intrinsic corrugation of the layer. Graphene has remarkable properties such as a Dirac cone band structure and a very high carrier mobility. It is currently one of the most promising materials in condensed matter physics. The objective of the PhD is to demonstrate the integration of 2D monocrystalline and homogeneous graphene (GR) layers on conventional microelectronic substrates; more precisely on silicon-on-insulator (SOI) wafers which have progressively replaced bulk silicon wafers. The student will first investigate the fabrication of a pure Ge buffer layer on a SOI wafer. This pure Ge layer, without mechanical stress, will be used as a substrate for the direct deposition of GR. The student will thus have to elaborate this Ge buffer layer by combining various processes such as molecular beam epitaxy (MBE) under ultra-high vacuum, nanostructuring by optical lithography and selective oxidation. The latter will be performed by thermal annealing under oxygen (RTO). Secondly, the student will study the epitaxy of GR on this Ge layer on SOI. A complete relaxation of the germanium buffer layer will be necessary to allow the epitaxy of GR. The electronic, morphological and structural properties of the different layers will be studied by near field microscopy, electron microscopy and surface analysis (STM, AFM, HRTEM, XPS, LEED). The systems developed, will be evaluated with respect to their opto-electronic characteristics. The PhD is supported through an ANR project which started in October 2022. The work will be performed in collaboration with INSP (Sorbonne Univ., Paris), SPINTEC (CEA Grenoble), LPICM (Ecole Polytechnique, Paris).