Nanostructures pour les longueurs d’onde télécom

L’axe thématique, s’intéresse aux propriétés des nanostructures (boîte quantiques semiconductrices, défauts localisés) émettant dans la gamme proche infrarouge. Plusieurs techniques sont utilisées pour permettre ces études: photoluminescence (PL), micro-photoluminescence (micro-PL), excitation de la photoluminescence (PLE), photoluminescence résolue en temps avec une caméra à balayage de fente et mesure de l’efficacité quantique à l’aide d’une sphère intégrante.

Nanostructures pour les longueurs d’onde télécom

Contact : Nicolas Chauvin

 

Participants : J.-M. Bluet, C. Bru-Chevallier, B. Canut, N. Chauvin

 

  1. Nanostructures III-V intégrées sur silicium pour les sources optiques

L’objectif de cette thématique est la réalisation de sources optiques aux longueurs d’onde télécom (longueurs d’onde idéales pour la transmission par fibre optique) et l’intégration de ces dispositifs sur substrat silicium. Ce travail s’effectue en collaboration avec deux autres équipes de l’INL : l’équipe « Hétéroépitaxie et Nanostructures » qui réalise la croissance de l’ensemble des échantillons étudiés et l’équipe « Nanophotonique ».
L’activité de recherche se concentre actuellement sur les nanofils semiconducteurs III-V et en particulier sur la filière nanofils InP. L’approche nanofils permet d’intégrer de manière monolithique des semiconducteurs III-V de bonne qualité structurale et optique à un substrat silicium. Cette méthode de croissance permet aussi d’insérer une seule boîte quantique d’InAs dans l’axe du nanofil InP.
Ces dernières années, une stratégie a été développée pour contrôler la géométrie du nanofil et arriver à une nanostructure photonique capable de guider et extraire efficacement les photons émis par la boîte quantique (Figure 1). Les nanofils obtenus présentent un diamètre de l’ordre de 300-350 nm à la base, permettant ainsi un bon couplage entre la boîte quantique et le mode fondamental du guide. De plus, les conditions de croissance ont été optimisées pour obtenir une forme supérieure conique qui augmente l’efficacité d’extraction des photons guidés. Les études optiques réalisées (micro-photoluminescence basse température, étude du diagramme de rayonnement) confirment la pertinence de cette approche.

 

Image MEB d’un nanofil InP dont la géométrie a été optimisée pour guider la lumière émise par la boîte quantique InAs (QD). Spectres à basse température d’une boîte quantique insérée dans un nanofil en fonction de la puissance d’excitation.

Figure 1 : Image MEB d’un nanofil InP dont la géométrie a été optimisée pour guider la lumière émise par la boîte quantique InAs (QD). Spectres à basse température d’une boîte quantique insérée dans un nanofil en fonction de la puissance d’excitation.

 

Projets contractuels :
– Projet ANR INSCOOP Intégration de Nanofils III-V sur SOI pour COnnections Optiques sur Puce (2011-2015)
– Projet Projet du conseil franco-québécois de coopération universitaire Nanofils et nanostructures semiconductrices: des applications optoélectroniques à spintroniques (2013-2015)

 

Publications:
1. A. Mavel, N. Chauvin, P. Regreny, G. Patriarche, B. Masenelli, M. Gendry, “Study of the nucleation and growth of InP nanowires on silicon with gold-indium catalyst”. Journal of Crystal Growth 458, 96-102 (2017).

2. R. Anufriev, J. Barakat, G. Patriarche, X. Letartre, C. Bru-Chevallier, J.C. Harmand, M. Gendry, N. Chauvin, “Optical polarization properties of InAs/InP quantum dot and quantum rod nanowires”. Nanotechnology 26, 395701 (2015).

3. R. Anufriev, N. Chauvin, H. Khmissi, K. Naji, G. Patriarche, M. Gendry, C. Bru-Chevallier, “Piezoelectric effect in InAs/InP quantum rod nanowires grown on silicon substrate”. Applied Physics Letters 104, 183101 (2014).

 

2. Propriétés fondamentales des nanofils

 

Les nanofils sont des nanostructures originales du fait de leur forme géométrique 1D et de la possibilité de contrôler leur phase cristalline (hexagonal ou cubique).
Depuis 2007, de nombreuses études ont été réalisées par l’équipe S&N pour comprendre les propriétés des nanofils InP en phase cristalline wurtzite épitaxiés sur substrat silicium: mesure du gap et évolution avec la température, structure de la bande de valence… De plus, une collaboration avec l’ILM dans le cadre d’un projet financé par le LABEX iMUST a permis de coupler le banc de photoluminescence à une cellule haute pression pour étudier les potentiels de déformation hydrostatique de l’InP en phase wurtzite.
L’équipe est aussi impliquée dans le projet HEXSIGE (projet coordonné par le C2N) qui porte sur l’étude des propriétés de nanofils Si et Ge ayant subis une transition de phase sous contrainte. Ce procédé permet d’obtenir des hétérostructures d’allotropes cubique-3C et hexagonal-2H de manière quasi-périodique le long des nanofils. Notre travail sera d’étudier les propriétés optiques de ces nanofils originaux dans le spectre visible, NIR et Mid IR (jusqu’à 4 µm).

Notre équipe est également porteuse d’un projet international CAPES-COFECUB, proposé en mai 2018, en partenariat avec une équipe française appartenant à l’Institut Lumière Matière de Lyon (ILM) et avec une équipe brésilienne appartenant à l’Université Fédérale do Rio Grande do Sul (UFRGS) de Porto Alegre. Le contexte général du projet est de traiter par faisceaux d’ions un réseau vertical de nanofils de silicium, afin d’y provoquer de façon contrôlée des modifications morphologiques (inclinaison) et structurales (hyperdopage) qui seront respectivement étudiées via des mesures de mouillage et des caractérisations structurales et optiques. Dans le premier cas, le traitement ionique vise à faire varier à volonté l’angle d’inclinaison de l’assemblée de nanofils, en fonction notamment de la dose d’irradiation, et par conséquent devrait permettre de suivre finement via des mesures d’angle de contact (ILM) différents régimes de mouillage (transition super-hydrophobe → omniphobe). Dans le second cas, l’objectif est de doper latéralement, par implantation d’ions chalcogénures (S, Se, Te) suivie de recuit rapide (RTA, laser), un réseau de nanofils de silicium afin de réaliser une nanostructure donnant lieu à un plasmon IR accordable. La maîtrise du dispositif visé passera par des études morphologiques par microscopie électronique (INL et UFRGS), des analyses élémentales par méthodes nucléaires (UFRGS), et des mesures optiques par spectroscopies Raman, IR et PL (INL).

Diagramme de bande de l’InP en phase cristalline wurtzite.

Figure 2 : (a) Diagramme de bande de l’InP en phase cristalline wurtzite.

 

Evolution de l’énergie d’émission des transitions A et B en fonction de la pression hydrostatique

Figure 2 : (b) Évolution de l’énergie d’émission des transitions A et B en fonction de la pression hydrostatique

 

Projets contractuels :

– Projet ANR HEXSIGE Propriétés de la phase hexagonale 2H du Ge et Si (2017- )
– Projet ESOP du LABEX iMUST Effet de la contrainte sur les propriétés optiques de nanofils en phase wurtzite (2013-2015)

Collaborations :
Partenaires du projet HEXSIGE: C2N (coordination), SOLEIL, LOMA, LPS

 

Publications:

1. N. Chauvin, A. Mavel, A. Jaffal, G. Patriarche, M. Gendry, “Determination of the spin orbit coupling and crystal field splitting in wurtzite InP by polarization resolved photoluminescence”, Appl. Phys. Lett. 112, 071903 (2018).

2. N. Chauvin, A. Mavel, G. Patriarche, B. Masenelli, M. Gendry, D. Machon, “Pressure-Dependent Photoluminescence Study of Wurtzite InP Nanowires”. Nano Lett. 16, 2926–2930 (2016).

3. X. Guan, J. Becdelievre, B. Meunier, A. Benali, G. Saint-Girons, R. Bachelet, P. Regreny, C. Botella, G. Grenet, N. P. Blanchard, X. Jaurand, M. G. Silly, F. Sirotti, N. Chauvin, M. Gendry, J. Penuelas, “GaAs Core/SrTiO3 Shell Nanowires Grown by Molecular Beam Epitaxy”. Nano Lett. 16, 2393–2399 (2016).

4. X. Guan, J. Becdelievre, A. Benali, C. Botella, G. Grenet, P. Regreny, N. Chauvin, N. P. Blanchard, X. Jaurand, G. Saint-Girons, R. Bachelet, M. Gendry, J. Penuelas, “GaAs nanowires with oxidation-proof arsenic capping for the growth of an epitaxial shell”. Nanoscale 8, 15637-15644 (2016).

 

Solotronique à base de nanostructures de SiC

 

L’enjeu consiste à générer (par implantation ou irradiation) des défauts atomiques sélectionnés agissant comme centres colorés et donc émetteurs atomiques ultra-brillants. Ces défauts présentant un temps de cohérence magnétique de spin long, ils constituent également une alternative sérieuse au centre NV du nano-diamant comme qubit à l’état solide. La technologie mature du SiC portée par les développements en électronique de puissance ainsi que ses propriétés physiques remarquables (facteur c2, coefficient piézo, coefficient électrooptique) en font également un matériau de choix comme plateforme pour l’interfaçage spin-photon.
Notre recherche consiste à exploiter nos compétences et savoir-faire en procédés de fabrication et caractérisation optique du SiC pour développer des technologies d’intégration de ces nano-émetteurs SiC, compatibles avec une technologie de fabrication à grande échelle (CMOS). Ainsi nous nous sommes focalisés sur deux axes :
– La réalisation de centres colorés dans le SiC cubique qui existe sous forme épitaxiale sur Si. Nous avons étudiés différentes conditions de création des défauts (irradiation aux e-, implantation à différentes doses/énergies d’ions H+, He+, et Ar+) montrant la possibilité de créer des émetteurs dans une gamme s’étendant du visible aux longueurs d’ondes télécom.
– La réalisation par gravure ionique de micro-piliers contenant des centres afin d’exalter la luminescence et d’augmenter l’efficacité de sa collection. Les mesures montrent un gain de signal d’un facteur 20 pour la monolacune de Si (émission vers 900 nm) et jusqu’à 7 pour le complexe lacune de Si (NVSi) azote émettant à 1330 nm.

Gauche : Image MEB d’un ensemble de micro-piliers ; centre zoom sur un micro-pilier ; droite image de cartographie d’intensité de luminescence du centre NVSi.

Gauche : Image MEB d’un ensemble de micro-piliers ; centre zoom sur un micro-pilier ; droite image de cartographie d’intensité de luminescence du centre NVSi.

 

Contact : Jean-Marie Bluet

 

Participants : B. Canut, N. Chauvin, G. Guillot, J-M. Bluet

 

Collaborations : S. Castelletto (RMIT Melbourne), V. Bratus (Académie des Sciences Kiev), H. J. Von Badeleben (INSP Paris), F. Treussart (LAC Paris), J. Lefevre (LSI Paris).

 

Publications :

1. S. Al Atem, L. Ferrier, B. Canut, N. Chauvin, G. Guillot and J.-M. Bluet, Luminescent point defect formation in 3C-SiC by ion implantation, Phys. Status Solidi C (2016), DOI 10.1002/ pssc.201600139.

 

2. S. Al Atem, V. Bratus, B. Canut, J. Lefevre, G. Guillot and J.-M. Bluet, Combined EPR and photoluminescence study of electron and proton irradiated 3C-SiC, Material Science Forum (2019), DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.963.301

 

3. S. Castelletto, A. Al-Atem, F. A. Inam, H. J. von Bardeleben, S. Hameau, A. F. M. Almutairi, S. Shin-Ichiro, A. Boretti, and J.-M. Bluet, Deterministic placement of Ultra-bright Near-infrared Color Centers in Arrays of Silicon Carbide Micropillars, submitted to BJ Nano (09/2019).

INL CNRS