Thématique 1. Nouveaux concepts en germination, croissance (O. Pierre-Louis – LPMCN)

La croissance épitaxiale des semi-conducteurs pose de nombreux problèmes tant au niveau théorique que pour la modélisation. Si plusieurs effets liés à la croissance sont déjà décrits de façon générale et s’appliquent aux semi-condcuteurs, plusieurs questions restent ouvertes pour la théorie de ces systèmes (influence d’inhomogénéités sur la croissance, couplage non-linéaire entre dynamique et composition, dynamique du mûrissement, dynamique de front de démouillage, etc). Notre but est d’échanger sur ces questions mais aussi de prédire de nouveaux effets grâce à une connaissance fine des systèmes. Pour ce faire, il est nécessaire de comprendre en détail la cinétique du transport de masse en surface, mais aussi, d'inclure dans la modélisation l'énergétique des surfaces (facettes, reconstructions), les contraintes élastiques, ainsi que les effets de mouillage et d'alliage.

Afin de s'attaquer à ce vaste programme, il convient d'utiliser les méthodes de modélisations disponibles à toutes les échelles: ab initio, dynamique moléculaire, Monte Carlo cinétique, et modèles continus. L'un des buts majeurs du GdR sera de créer et d'entretenir un lien entre ces différentes échelles et de favoriser leur interaction afin de rendre leurs résultats complémentaires. Par ailleurs, il s'agit de faire émerger de nouvelles idées sur des thématiques comme par exemple (i) le contrôle de la croissance par la nanostructuration des subtrats, avec des patterns de nature topographique, chimique, ou élastique, qui peuvent être ordonnés ou désordonnés; (ii) la description aux échelles nanométriques de l’évolution de la composition d’un mélange en hétéroépitaxie; (iii) la croissance des nanofils, dont la cinétique et la catalyse restent en grande partie incomprises.

Thématique 2. Hétéroépitaxie sur silicium (F. Semond et Y. Cordier - CHREA)

Pour répondre aux enjeux technologiques de demain, les composants et systèmes électroniques et optoélectroniques seront de plus en plus complexes avec l’intégration de fonctions multiples et variées. Pour atteindre ces objectifs de complexité et d’intégration et, rester dans une logique incontournable de coût faible et de grande disponibilité, il est nécessaire de combiner astucieusement les propriétés spécifiques de différents matériaux semiconducteurs. C’est précisément dans ce but que de nombreux laboratoires de recherche ainsi que les principaux acteurs industriels du domaine produisent des efforts importants afin de combiner l’extraordinaire maturité de la technologie silicium avec les propriétés remarquables des semiconducteurs composés. Cette combinaison permettra en effet d’ajouter des nouvelles fonctionnalités et d’améliorer les performances des composants et/ou systèmes tout en bénéficiant de la disponibilité et de la technologie bas coût de la filière silicium. C’est ce contexte qui explique que la recherche sur l’épitaxie des semiconducteurs composés sur silicium fait l’objet d’intérêts croissants et devient un axe stratégique fort.
Cependant l’épitaxie des semiconducteurs composés sur substrat silicium est une étape délicate car les différences de paramètre de maille et de coefficient de dilatation thermique entre le silicium et les semiconducteurs composés sont à l’origine de la création de défauts dans les structures épitaxiées. Ces défauts dégradent les performances des composants et il donc nécessaire d’imaginer et de réaliser des procédés de croissance qui permettront de réduire, voire éliminer ces défauts. En fonction du matériau semiconducteur composé considéré (GaAs, InP, InSb, GaP, GaN, SiC et leurs alliages) il existe différentes solutions et régulièrement des composants avec des performances plus ou moins convaincantes sont annoncés dans la presse. Cependant aucune de ces solutions n’a encore réussi à s’imposer véritablement comme une voie évidente à l’intégration de tel ou tel matériau sur substrat silicium soit à cause de sa complexité de mise en œuvre et/ou des performances modestes des composants. De plus, lorsqu’une solution « tout épitaxie » débouche sur un composant elle doit systématiquement se confronter à l’approche « wafer bonding ». Cette dernière permet en effet de contourner les difficultés de l’étape d’hétéroépitaxie mais elle engendre des coûts supplémentaires, ce qui relance à chaque fois le débat sur les avantages et les inconvénients de l’une ou l’autre approche. Il est important de faire remarquer qu’il existe actuellement en France un contexte très favorable à l’organisation de rendez-vous réguliers autour de cette thématique car l’activité académique et industrielle sur l’intégration des semiconducteurs composés sur silicium est particulièrement importante.

Thématique 3. Couplage entre théorie et expérience (Pierre Müller - CINAM)

La croissance cristalline est souvent considérée comme étant à la fois une science (lorsque on s’intéresse aux mécanismes fondamentaux) et un art (lorsque on veut optimiser  la croissance d’un système particulier). Ceci est du au fait que si les fondements de la croissance cristalline sont maintenant bien connus depuis les travaux fondateurs du début du siècle dernier, la maitrise de  la croissance de systèmes spécifiques reste difficile compte tenu du nombre de paramètres expérimentaux impliqués liés aux mécanismes de transport dans la phase mère, à la nucléation, à la diffusion de surface, aux  propriétés d’incorporation ainsi qu’aux propriétés thermodynamiques, structurales et chimiques des matériaux considérés… Par ailleurs,  la croissance de nanostructures exige le franchissement d’un pas supplémentaire dans la compréhension des mécanismes élémentaires de la croissance, lié d’une part à la découverte expérimentale de nouveaux mécanismes de croissance (croissance en phase vapeur liquide solide (VLS), croissance de nanotubes, nanofils, graphene…) et d’autre part à l’existence de nouvelles contraintes, liées à la forme et aux dimensions des structures ainsi obtenues.
Le nombre de mécanismes en jeu conduit souvent expérimentateurs et théoriciens à utiliser leurs résultats respectifs dans des conditions expérimentales et/ou théoriques éloignées l’une de l’autre, au détriment d’une compréhension profonde des mécanismes en jeu et de l’optimisation des méthodes de croissance…. Il apparait ainsi nécessaire, pour progresser sur des systèmes particuliers, de favoriser un couplage fort théorie/expérience (La disparition du Groupe Français de Croissance Cristalline laisse un manque dans ce domaine). Plus précisément il s’agit par exemple du point de vue des méthodes atomistiques, du type ab-initio, de calculer les grandeurs thermodynamiques utiles (énergie d’interface par exemple) injectables dans les modèles analytiques issus de la thermodynamique d’équilibre et de la physique des processus irréversibles afin d’effectuer des prédictions semi-quantitatives vérifiables expérimentalement. Les méthodes du type Monte Carlo, doivent également jouer un rôle prépondérant dans l’étude des phénomènes cinétiques et ou morphologiques en permettant notamment de comparer les lois d’échelle obtenues par simulation aux lois d’échelle expérimentale (et ce sur une gamme de variation des paramètres suffisante pour être significative).
Sans prétendre à l’exhaustivité, les thématiques suivantes paraissent particulièrement illustrer la nécessité d’un couplage fort théorie/expérimentation, c'est-à-dire la nécessité d’allers-retours permanents, sur un système donné, entre théoriciens et expérimentateurs.

Stabilité et morphologie des couches épitaxiées

Bien que les théories de la stabilité des films minces supportés soient nombreuses (Instabilité Asaro-Tiller-Grinfeld ou ATG, transition Stranski-Krastanov, mécanismes de mise en paquet de marches, démouillage diffusif…), les comparaisons avec les expériences sont souvent lacunaires et de ce fait non discriminantes. Rares sont les expériences qui, par exemple, permettent de tester la dépendance avec l’énergie de surface de la longueur d’onde  des structures périodiques obtenues telle qu’elle est prédite dans le cadre de l’instabilité ATG [1]. De même si la thermodynamique des systèmes contraints inhomogènes a beaucoup progressé, les aspects cinétiques restent encore mal compris du fait de la difficulté expérimentale de séparer les effets de contraintes des effets chimiques [2].  Enfin, signalons que les théories les plus récentes [3]  concernant le démouillage solide de films métastables utilisent la théorie capillaire de la nucléation, non valable dans les conditions expérimentales de démouillage.  La compréhension fine des mécanismes mis en jeu ne pourra passer que par des comparaisons fines entre modèles de mouvement de marches, modèles phénoménologiques et expérimentation sur des systèmes modèles tels que Ge/Si [4] ou substrats SOI [5].

Epitaxie et réactivité : cas des métaux et des oxydes

L’épitaxie de métaux sur silicium conduit généralement à la création de siliciures.  Cette réaction interfaciale devient capitale lors de la croissance de films ultraminces [6]. De multiples questions se posent alors : rôle de la réactivité sur la croissance, mécanismes de diffusion interfaciale, séquence d’apparition et de stabilisation de nouvelles phases, rôle des contraintes… Il en est de même de la croissance par épitaxie d’oxydes dont l’une des difficultés majeures [7] consiste en l’obtention d’une couche  monocristalline de bonne qualité, à la stœchiométrie bien contrôlée, stable thermodynamiquement (les contraintes d’épitaxie permettent généralement de stabiliser, pour de faibles épaisseurs,  des phases n’existant pas à l’état massif)   et ne comportant pas trop de défauts d’interface (dislocations, charges interfaciales…). Par ailleurs, l’utilisation de surfactants, nécessaire pour optimiser les propriétés de mouillage lors de la reprise de croissance semi-conducteur sur oxyde, n’est pas prise en compte de façon satisfaisante dans la plupart des modèles. Les méthodes de modélisation atomistique semblent à même d’apporter des réponses mais celles-ci sont limitées par la difficulté que pose l’obtention d’un bon potentiel d’interaction [8], puis, pour aborder les problèmes de cinétique, la difficulté des simulations sur un temps long.  Des modèles phénoménologiques sont également possibles à condition qu’ils soient nourris par des expérimentations permettant de déterminer les coefficients cinétiques phénoménologiques utilisés.

La croissance des semi-conducteurs III-V est un exemple typique de processus complexes dans lequel interviennent plusieurs mécanismes liés à la présence d’espèces telles que le  gaz porteur, l’hydrogène, l’azote ou l’ammoniac dont les propriétés d’adsorption/ désorption et en particulier leur rôle sur l’énergie de surface n’est généralement pas intégrée dans les modèles de croissance [9].  Il a été en particulier montré que les mécanismes de désorption de l’azote dépendaient grandement du type d’atmosphère [10].  Des modèles phénoménologiques existent [11] mais des modèles du type Monte Carlo cinétique devraient être développés en lien étroit avec les expérimentations de façon à rapidement identifier les paramètres pertinents au regard des conditions expérimentales de croissance.
L’une des premières taches de ce groupe de travail devra être la définition des systèmes modèles conjointement étudiés par théoriciens/simulateurs et expérimentateurs. Des relations étroites devront être nouées avec les GdR plus spécifiquement centrés sur les nouveaux modes de croissance du type nanofils, graphène etc… Des travaux  et/ou animations communes avec  ces GdR devront être développés.

[1] See for instance F. Glas in Mechanical stress on the nanoscale, Wiley CH, 2011 p3
[2] B. Spencer et al.  Phys. Rev. B 64 (2001) 235318
[3] M Dufay et al.  Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 105506
[4] I. Berbezier et al. Surf. Sci. Rep. 64 (2009) 57
[5] E. Bussmann et al. New J. Phys. 13 (2011) 043017
[6] K. de Keyser et al., Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 173503
[7] M. Iannuzzi et al. Phys. Rev. B 61 (2000) 14405
[8] K Sawada et al. Appl. Phys. Lett. 81 (1998) 3014
[9] N . Grandjean et al. Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 1854
[10] Y. Krukowski et al. J. Chem. Phys. 129 (2008) 23470
[11] Karpov et al Surf. Sci. 450 (2000) 191

Thématique 4. Couplage composition, contrainte et morphologie en hétéro-épitaxie de semiconducteurs (X. Wallart – IEMN)

L’hétéro-épitaxie de semi-conducteurs est l’une des pierres angulaires du développement des technologies actuelles et futures. Les produits électroniques grand public en fournissent de nombreux exemples d’applications. Depuis plus de 30 ans, la recherche en ce domaine a eu deux objectifs principaux:
- la croissance de films monocristallins relaxes sur des substrats fortement désaccordés en paramètre de maille, présentant le moins de défauts émergents possible ;
- le contrôle et la maîtrise de la croissance tridimensionnelle pour fabriquer des boîtes quantiques en vue d’utiliser leurs propriétés particulières.
Le premier point a permis d’étendre le nombre de semi-conducteurs disponibles pour l’ingénierie de structure électronique permettant l’amélioration des performances des dispositifs existants voire l’émergence de nouveaux. Le second point a constitué un formidable tremplin pour le développement des nanosciences et nanotechnologies, a fourni un terrain de jeux exceptionnel pour les microscopies à sonde locale et a connu des succès reconnus notamment en optoélectronique.
Dans les deux domaines, d’énormes progrès ont été réalisés dans la connaissance des processus de base gouvernant l’hétéro-épitaxie. La contrainte induite par le désaccord de maille, mais aussi la composition de l’alliage formé en surface et les différentes énergies de surface ou de facettes se sont avérés des paramètres déterminants de l’évolution de la morphologie des couches épitaxiées.
La répartition atomique dans des objets épitaxiés, même sur le système modèle Si/Ge, reste sujette à débat. Des modélisations aboutissent à des résultats qui ne sont pas toujours compatibles. Les mesures expérimentales pêchent sur la séparation des effets liés à la contrainte et ceux liés à la composition et sur des analyses souvent pas assez locales. Le but sera de faire le point sur les différentes méthodes en cours de développement pour accéder à des mesures précises et locales de la  composition et des contraintes et leur comparaison avec les modélisations dédiés à ces systèmes (cf opération 2, « couplage théorie/expérience »).

Néanmoins, ce corpus de connaissances a été élaboré à partir d’un nombre restreint de systèmes de matériaux, deux d’entre jouant un rôle prédominant, le système Si/Ge pour les éléments de la colonne IV et le système GaAs/InAs pour les semi-conducteurs III-V.
La question reste donc ouverte de savoir si la compréhension actuelle des différents mécanismes peut s’étendre à tous les systèmes de matériaux. Ceci s’applique en particulier aux semi-conducteurs composés, mettant en jeu un grand nombre d’éléments chimiques différents.
Par ailleurs, l’utilisation de substrats gravés est de plus en plus répandue. De la croissance localisée est attendue une réduction des défauts émergents soit au sein de rubans, soit même pour toute une couche 2D. Dans le cas de la croissance 3D, des substrats présentant des motifs préalablement définis permettent d’obtenir des réseaux réguliers de nanostructures. 
Cependant, la connaissance des phénomènes à l’œuvre lors de cette croissance épitaxiale «contrainte spatialement» est beaucoup moins avancée et représente un champ très ouvert d’investigations.

Thématique 5. Nanostructuration des substrats (N. Gogneau – LPN)

La structuration des surfaces aux échelles nanométriques est aujourd’hui un enjeu important en sciences des matériaux. Elle apparaît comme une étape clé pour le développement de dispositifs innovants et plus performants dans les domaines de la nanoélectronique ou la nanophotonique. Elle consiste en la création de motifs nanométriques à la surface d’un matériau pour en modifier les propriétés. La diversité de ces propriétés destine les matériaux nanostructurés à une très large gamme d’applications qui répondent aux enjeux socio-économiques des prochaines décennies tels que l’énergie, la santé, les technologies de l’information.
La structuration de surface est connue pour modifier localement la croissance épitaxiale. L’étude de cet effet conduisant à une croissance localisée ou sélective est l’objectif principal de cet axe thématique. Dans le domaine de l’épitaxie des matériaux semi-conducteurs, la structuration de surface peut être mise en œuvre  pour atteindre des objectifs tels que la localisation de nanostructures (boîtes ou fils quantiques) ou la croissance de matériaux très désaccordés entre eux. (Conférer axe thématique « croissance localisée »)
La structuration peut se faire à la surface d’un substrat ou d’une couche épitaxiée. Elle se fait via l’utilisation de masques déposés à la surface ou via la gravure directe de motifs dans le matériau massif. Différents procédés peuvent être utilisés avec des résolutions spatiales, des temps d’écriture, des coûts de fabrication et une flexibilité variables: la lithographie électronique ou X, la nanoimpression, l’utilisation de faisceaux d’ions focalisés, l’utilisation de faisceaux laser, la microscopie en champ proche sous pointe AFM et STM, l’adhésion ou le greffage de molécules comme les copolymères à blocs, ou encore la gravure chimique ou physique.
Pour se préparer à une épitaxie sur une surface structurée, une autre étape critique est  la préparation chimique de la surface. Celle-ci est cruciale avant et après la phase de structuration. De nombreuses caractéristiques en dépendent : définition des motifs, adhésion du masque, sélectivité de la croissance épitaxiale, contamination par des impuretés… C’est donc une étape critique qui doit être adaptée en fonction de la nature de la surface structurée mais aussi de la méthode de structuration utilisée.
L’épitaxie sélective a été largement étudiée à l’échelle microscopique et commence à être explorée à l’échelle nanométrique avec différents types de semi-conducteurs. Il reste toutefois de nombreuses questions ouvertes.
La réflexion sur la technique de structuration à utiliser est à mener en fonction de l’application envisagée et des conditions de croissance nécessaires: température de croissance, morphologie des nanostructures visées (boîtes ou fils quantiques), taux de masquage, taille et densité des nano-objets visés.
Les effets de la structuration (par  masquage ou par gravure du matériau) sur la cinétique de croissance sont au cœur du problème. La nature chimique et l’orientation de la structuration peuvent modifier sensiblement la décomposition des espèces incidentes, la diffusion de surface des adatomes, leur incorporation sur des sites favorables, la nucléation de germes cristallins…
La morphologie et la structure cristalline des nanostructures obtenues ou la modification des propriétés des matériaux nanostructurés représentent d’autres sujets d’études particulièrement importants.
Ces questions ne sont qu’un aperçu des problématiques qui doivent être considérées pour mettre en œuvre de façon efficace et reproductible la nanostructuration.

Thématique 6. Auto-organisation et Epitaxie sur substrat fonctionnalisé (A. Ronda – IM2NP)

Les études fondamentales et les applications des nanostructures semi-conductrices épitaxiées, briques de base  des composants, restent limitées par leur fabrication et leur contrôle en termes de taille, de composition, densité et positionnement. De nombreuses études extensives sont menées pour le développement de nouveaux procédés d’auto-organisation et la compréhension des mécanismes mis en jeu, notamment sur des  systèmes à enjeu technologique, mais aussi modèles (comme InAs/GaAs ou SiGe/Si) pour les études et le transfert de procédés vers de nouvelles classes de matériaux ou systèmes. La première voie de fabrication concerne la  croissance sous contrainte type Stranski-Krastanov avec la nucléation spontanée des nanostructures. Le caractère stochastique de la nucléation limite ici le contrôle des tailles, densités et positionnements  et les principaux phénomènes utilisés pour améliorer ce contrôle concernent  les influences respectives, souvent combinées, de la  morphologie de surface (courbure) et des marches, la distribution de la contrainte dans le substrat ou la couche en croissance. Dans ce sens, des résultats remarquables sont obtenus en utilisant des croissances séquentielles sur des substrats vicinaux, des couches structurées par instabilités de croissance (thermodynamiques et/ou cinétiques), des champs de contrainte modulés induits par le substrat ou des (multi)couches  de nanostructures ou des réseaux de dislocations enterrés, champs de contrainte qui vont influencer la migration des espèces et la nucléation des nanostructures. Des modélisations théoriques des processus de croissance avec des approches permettant de clarifier les influences respectives énergétiques et cinétiques qui font toujours débat, se développent pour fournir les outils prédictifs et descriptifs pertinents pour l’optimisation des procédés expérimentaux. Egalement l’apport  des techniques de caractérisations fines (structurales, optiques, …) en particulier à l’échelle nanométrique reste essentiel. Cette approche bottom-up, si elle conduit à une maîtrise de la croissance jusqu’à l’échelle nanométrique,  reste cependant actuellement limitée en particulier pour répondre à la demande de structures à géométries et arrangements complexes, spécifiques  à certaines applications émergentes. En parallèle, mais aussi souvent de manière combinée,  une deuxième approche est donc développée, basée sur une pré-structuration artificielle du substrat pour le contrôle des sites de nucléation. Les principales voies de pré-structuration  explorées concernent  la  lithographie, conventionnelle et nanolithographie (E-beam, FIB, nanoimprint ), l’utilisation d’impuretés ou encore l’utilisation de couches tampons comme les di-block copolymères.
(Sur des mésas ou dans des fenêtres micrométriques définies par photolithographie conventionnelle, des nucléations préférentielles et ordonnées d’ilôts suivant les modulations du potentiel chimique )
Concernant l’utilisation de la nanolithographie pour la croissance contrôlée,   les études sont basées sur l’utilisation de la lithographie électronique prinicipalement ou de la nanolithographie FIB. Des réseaux ultradenses de nanotructures ont pu être démontrés. Les principales questions qui restent ouvertes concernent l‘influence de la taille, géométrie et l’espacement des motifs, sur la nucléation et l’organisation des structures, en relation avec le  rôle respectif des aspects énergétiques et cinétiques du processus de croissance.
La nanoimprint lithographie, technique bas coût et à processus parallèle, est prometteuse et des motifs de gravure jusqu’à 2 nm ont été démontrés. En réduisant la taille des motifs, des boites uniques sont obtenues dans les nanopores avec une meilleure homogéneité.
Une voie récemment développée est l’utilisation de la lithographie à partir de couches tampons di-block copolymères, à partir de laquelle des réseaux de nanopores peuvent être obtenus. La croissance selective par MOCVD sur ce type de substrat patternés pu conduire à la formation de réseaux ultra-denses de QD uniformes d’InGaN/GaN ou InGaAs/GaAs, des réseaux denses de GE QD ont également été réalisés.
Un des problèmes qui restent associés aux techniques de lithographies, et particulièrement celles « indirectes »,  concerne l’élimination totale des résidus du procédé de gravure, critique pour la croissance et les propriétés des structures. Par ailleurs,  la présence d’impuretés ou du moins d’espèces intrinsèques peut être exploitée positivement pour la nucléation contrôlée. C’est le cas de l’aspect surfactant et ou précurseur (catalytique) de certains éléments qui introduits dans les procédés de croissance permettent de modifier la taille des structures ou inhiber ou favoriser leur formation  et conduire dans ce cas à la formation de nanodomaines ou nanostructures (Ge « quantum fortress » à partir de carbone, par ex.). Dans ce sens  la technologie FIB avec ses  potentialités en nanodépôts/implantations localisés (à partir de l’espèce ionique utilisée), d’impuretés catalytiques est particulièrement prometteur, et des croissances  localisés et ordonnés de nanostructures uniformes (Ge/Si) sur notamment ont pu être démontrées.

Thématique 7. Croissance sélective et épitaxie latérale (E. Gil – Institut Pascal)

Cette thématique adresse les problématiques relatives aux étapes d’épitaxie sélective ou SAG (Selective Area Growth) sur substrats partiellement masqués des semiconducteurs IV, III-V et III-N. Depuis 2006, plus d’une soixantaine d’articles portant le focus sur l’épitaxie sélective ont été publiés par la communauté française (INP et INSIS CNRS, Universités), couvrant les filières micro- et optoélectronique :

- Si et SiGe : fabrication transistor (HBTs, 32 nm, SOI MOSFETs ...), effets d’anisotropie, facettage ...
(IEMN Lille, IMEP INPG et LETI CEA Minatec Grenoble, St Microelectronics Crolles)
- MOVPE (MOCVD) des III-V : quantum dots (QD) InAs/InP par SAG à l’échelle nanométrique, modulateurs AlGaInAs (10 Gb/s) ...
(IEMN Lille, LPN Marcoussis, Alcatel Thales III-V Lab, Georgia Tech Metz, LMOPS Metz)
- MOVPE des couches planar : InP planar par reprise d’épitaxie sélective (composants télécom) (Alcatel Thales III-V Lab)
- nano-façonnage : nanostructures (grating lines) et nanofils GaAs par épitaxie sélective (sans catalyseur)
(IEMN Lille, LAAS Toulouse, Institut Pascal (ex LASMEA) Clermont-Ferrand)
- nitrures : GaN QD in AlN (épitaxie conformal MBE), nanostructures GaN par SAG contrôlée full wafer (MOVPE), nanoboites et nanofils (multi QW) par nano-SAG MOVPE, intégration de HEMT AlGaN/GaN sur Si(111), micro- et nanostructures GaN par SAG-HVPE ...
(CRHEA Valbonne, IEF Orsay, LPN Marcoussis, SP2M CEA/UJF Grenoble, LETI Grenoble, Institut Néel Grenoble, Georgia Tech Metz, Charles Coulomb Montpellier, Institut Pascal Clermont-Ferrand).

L’épitaxie sélective ascendante (bottom-up) est une étape clef permettant un façonnage de la matière 3D (réalisation de boites, fils, nanofils) sans avoir recours à des catalyseurs étrangers, un remplissage (couches isolantes planar ...), et la réalisation de fonctions composants localisées. Pour les nitrures, la maîtrise du façonnage ascendant est particulièrement importante étant donné les difficultés d’attaque du matériau.

Nous proposons de réunir la communauté pour une confrontation constructive des techniques épitaxiales développées au CNRS : CVD des composés IV, MOVPE, MBE (et relatives) et HVPE des III-V et nitrures autour des enjeux à court et moyen terme suivants :

• contrôle des morphologies et règles de façonnage 3D de la matière cristalline : comment favoriser l’anisotropie de croissance du cristal pour le façonnage de structures à rapport de forme varié (anisotropie de croissance versus transfert de masse) ? contrôle de l’anisotropie : ratio croissance latérale/verticale, apparition des faces ;
• contrôle des compositions et des contraintes, design des films de masquage diélectriques versus distribution des précurseurs de croissance (interférences) ;
• la maîtrise de la SAG à l’échelle nanométrique (nano-SAG) ;
• croissance sans catalyseur : épitaxie/condensation sélective versus procédés VLS/VSS (vapeur-liquide-solide/vapeur-solide-solide) ;
• faisabilité mono-étape full wafer.

La thématique croissance sélective est complémentaire des thématiques du GDR dédiées à l’intégration monolithique, l’hétéro-épitaxie sur Si, le contrôle des morphologies (façonnage 3D et effets chimiques et mécaniques, germination/croissance), la nanostructuration et l’épitaxie sur substrats fonctionnalisés.

Thématique 8. Nouvelles approches de caractérisation locale (P. Atkinson - INSP)

Les méthodes d’épitaxie permettent un contrôle précis des flux d’atomes arrivant sur une surface ainsi que des compositions et épaisseurs moyennes des nano-structures. La miniaturisation croissante des composants et l’integération de nano-structures auto-assemblées dans des hétéro-structures nécessitent un contrôle accru du positionnement atomique, des morphologies et des variations de composition dans les différentes couches atomiques ainsi qu’au niveau des interfaces. L’élaboration de techniques de mesures directes aux échelles nanométriques des profils de composition et de structure est cruciale afin d’optimiser les paramètres de croissance. Cette opération aura pour but d’échanger autour des nouvelles techniques de caractérisation locale permettant la validation des techniques de croissance, leur fiabilité et  précision. 
Cette opération couvrira les thématiques suivantes :

• état de l’art des techniques permettant une caractérisation locale des structures, composition, défauts
• dans des nanostructures auto-assemblées comme les boîtes ou fils quantiques
• aux interfaces des super-réseaux et dans les puits quantiques
• dans les couches profondes des mélanges
• les méthodes de caractérisation in-situ des morphologies des fronts de croissance, et de mesure et de contrôle des environnements de croissance ; on pourra discuter de la définition de paramètres de croissance « universels » assurant le reproductibilité de la croissance au-delà d’une expérience donnée et la transférabilité des paramètres utilisés.

la caractérisation de l’apparition de défauts intrinsèques (importants pour des structures à forte mobilité), de l’intermixing (important pour les boîtes et puits quantiques), de la migration atomique et de la rugosité d’interface (important pour les structures basées sur des super-réseaux).

Thématique 9. Intégration monolithique hétérogène (M. Gendry et G. Saint-Girons – INL)

Depuis l’invention de l’épitaxie par jets moléculaires (par A.Y. Cho et J. Arthur en 1968, Laboratoires Bell L’abs) et des techniques de condensation de vapeur chimique (CVD) dans les années 70 – 80, les recherches se sont focalisées sur un nombre restreint de systèmes, impliquant notamment les semi-conducteurs IV-IV pour la microélectronique, et les semi-conducteurs III-V et II-VI pour l’optoélectronique (même si un certain nombre de recherches ont concerne et concernent encore d’autres systèmes, comme les métaux/Si et la croissance des oxydes dit fonctionnels, essentiellement sur substrat de SrTiO3). Ce resserrement thématique autour de systèmes finalement très homogènes en termes de propriétés cristallographiques et chimiques a permis d’atteindre un contrôle proche de la perfection de leur croissance. Néanmoins, il a fait quelque peu perdre de vue l’existence d’autres systèmes plus hétérogènes, dont l’étude a été quasiment abandonnée jusqu’a très récemment. Ainsi, le paradigme de la croissance contrainte selon lequel un matériau désaccordé subit inévitablement une déformation élastique aux premiers stades de la croissance, et qui exclut toute possibilité de croissance epitaxiale pour des désaccords paramétriques supérieurs a quelques pourcents, est aujourd’hui très souvent considéré comme incontournable. Les évolutions récentes de l’industrie de la microélectronique silicium poussent cependant peu a peu la communauté matériaux a reconsidérer l’étude des systèmes hétérogènes : le constat que la stratégie de réduction d’échelle qui a jusqu’a maintenant permis d’augmenter a un rythme extrêmement rapide les performances des systèmes intègres, va se heurter dans un avenir proche aux limitations physiques intrinsèques au couple silicium/silice est aujourd’hui unanime. L’intégration de matériaux alternatifs dans les filières silicium devient un impératif pressant, ce qui réactive les recherches sur l’épitaxie de matériaux hétérogènes. L’un des exemples les plus frappants de cette évolution est le développement récent et rapide de l’épitaxie d’oxydes cristallins sur Si, mais également l’intérêt croissant des industriels pour les techniques d’intégration, qu’elles soient hétérogènes (report de substrat, collage) ou monolithiques.

Bref état de l’art : systèmes épitaxiés « hétérogènes » combinant oxydes et semiconducteurs
L’étude de la croissance cristalline des oxydes a commencé au début des années 80, suite à la découverte de la supraconductivité dans les cuprates (Y-Ba-Cu-O (YBCO) et alliages associés). Plus récemment, les oxydes dits fonctionnels ont attiré une attention particulière. Ces oxydes, et particulièrement ceux de la famille des pérovskites, présentent une large gamme de propriétés physiques (ferromagnétisme, ferroélectricité, piézoélectricité, etc.) qui ouvrent la voie à des applications variées. Ils sont couramment épitaxiés sur des substrats de SrTiO3 (STO) ou de LaAlO3 (LAO), dont la taille limitée et la qualité structurale médiocre est incompatible avec les contraintes industrielles. Dans une étude pionnière, l’équipe de McKee a démontré en 1998 la possibilité de faire croître du STO su silicium, et ce malgré un désaccord paramétrique supérieur à 40% et une forte réactivité chimique d’interface . Cette étude a motivé de nombreuses recherches à l’échelle internationale, visant à intégrer des oxydes fonctionnels sur silicium. Dans la famille des pérovskites, des procédés d’épitaxie par jets moléculaires ont été développés pour faire croître du STO et des alliages (Ba,Sr)TIO3 (BSTO) et (Ba,Sr)HfO3 sur Si. Des bixbyites telles que Pr2O3, Y2O3 et Gd2O3 , peuvent également être épitaxiées sur Si, ainsi que la spinelle Al2O3. Pour compléter ce tour d’horizon rapide, on peut également mentionner des travaux plus anciens concernant la croissance de MgO et de CeO2 sur Si comme couches tampons pour la reprise d’YBCO et  la croissance de ZnO sur silicium. Des études plus récentes ont démontré la possibilité de faire croître du  Gd2O3 sur GaAs et sur Ge.  Au début des années 2000, Motorola a publié quelques articles et de nombreux brevets décrivant la possibilité de faire croître du GaAs sur STO, grâce à un effet abusivement attribué à une forme de compliance. Ces travaux ont ouvert la voie à l’intégration monolithique de III-V et de Ge sur Si via des templates de STO, et plus généralement à la combinaison sous forme d’hétérostructures monocristallines « multifonctionnelles » de semiconducteurs et d’oxydes. Motorola a depuis arrêté ses activités sur ce sujet, mais plusieurs groupes travaillent aujourd’hui sur la croissance de Ge ou d’alliages III-V

Enjeu et questions ouvertes :
La combinaison sur substrat de silicium notamment et par croissance épitaxiale directe, de matériaux variés présentant des propriétés physiques différentes est un enjeu scientifique et applicatif majeur. Cette combinaison peut se faire à l’échelle du système microélectronique. Dans ce cas, les stratégies à base de report et de collage donnent d’excellents résultats, même si elles restent limitées en termes de coût, de flexibilité, et de contrôle des interfaces de collage à l’échelle atomique. Elle peut  également se faire de manière ultime à l’échelle du composant, de l’hétérostructure ou de la nanostructure, et dans ce cas, l’épitaxie est incontournable. Ainsi, l’intégration monolithique par épitaxie est mentionnée par exemple par INTEL comme la meilleure stratégie à moyen et long terme.
Les champs d’application sont extrêmement variés, et l’intérêt de procédés d’épitaxie « multimatériaux » n’est certainement pas complètement cerné. L’intégration de III-V sur silicium ouvrirait par exemple la voie à la réalisation de transitors à forte mobilité, ou à l’intégration sur Si de fonctionnalités optiques. Les oxydes fonctionnels, convenablement intégrés sur Si, permettrait de réaliser une large gamme de composants nouveaux dans des domaines variés (mémoires, MEMS/NEMS, système de récupération d’énergie, capteurs, composants pour la spintronique etc.). Et bien sûr, la possibilité de fabriquer des hétérostructures multimatériaux et multifonctionnelles ouvrirait la voie à la conception et à la réalisation de composants innovants pour des domaines d’application variés.
Si les enjeux sont importants, les verrous scientifiques le sont également. L’épitaxie, dans sa conception « classique », est limitée par le désaccord paramétrique entre le substrat et le matériau déposé. Plus généralement, il est communément admis qu’au-delà d’un certain degré d’hétérogénéité cristallographique et chimique entre un matériau et son substrat, l’épitaxie n’est plus possible. C’est vrai dans une certaine mesure, mais des études récentes, faisant écho à des travaux plus anciens concernant les systèmes métaux/semiconducteurs ou métaux/oxydes, démontrent le paradigme de la croissance contrainte valable pour les systèmes très homogènes n’est pas indépassable. Pour des systèmes à fort désaccord paramétrique et à forte hétérogénéité cristallographique et chimique, des effets encore mal connus de relation d’épitaxie indirecte et d’accommodation de la contrainte sans défaut traversant ouvrent la voie à la réalisation d’hétérostructures complexes multimatériaux.

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