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Fait marquant

Nanofils de germanium déformés en tension : vers un gap direct !



Nous avons développé une approche permettant de déformer un nanofil de germanium de manière contrôlée et élastique, en lui appliquant une contrainte mécanique uniaxiale en tension. Des expériences de spectroscopie optique confirment les prédictions théoriques, montrant la voie pour atteindre la transition à gap direct.

Publié le 29 juillet 2015
Les sources de lumière totalement intégrées en microélectronique sont les briques manquantes de la photonique sur silicium. Le silicium, tout comme le germanium, ne sont pas bien adaptés à l’émission de lumière dans leur forme naturelle, du fait de la nature indirecte de leur gap. Dans le cas du germanium, cette limitation peut potentiellement être contournée via l’application d’une contrainte en tension pour modifier sa structure de bandes : les études théoriques prédisent en effet un gap direct pour une déformation de la maille cristalline de l’ordre de quelques pourcents. Le germanium étant communément utilisé en microélectronique, la démonstration d’une source en Ge sur une puce serait une avancée majeure pour la photonique sur silicium.

Nous avons développé une approche originale permettant de déformer un nanofil de germanium de manière contrôlée et élastique, en lui appliquant une contrainte mécanique uniaxiale en tension. Des expériences de micro diffraction de Laue des rayons X, réalisées à l'ESRF sur la ligne de lumière BM32, nous ont permis d'évaluer la déformation homogène le long du fil de germanium (jusqu'à 1,5 %). Des expériences de spectroscopie optique nous ont mis en évidence une diminution de l'écart entre le gap direct et le gap indirect dans ces nanofils de Ge, conformément aux prédictions théoriques, montrant que nous sommes sur la bonne voie pour atteindre la transition à gap direct.

Nous développons actuellement des membranes de Ge présentant des déformations encore plus grandes (dans la gamme 2% à 5%) à partir de substrats de "germanium sur isolant" (GeOI) réalisés au LETI. Pour ces valeurs de déformation visées, le matériau devrait présenter un gap direct et permettre l'obtention de gain optique et la réalisation de lasers sur silicium.
Ce travail a été réalisé dans le cadre des « projets Phares DSM-DRT » "Photonique/Laser Ge" et "Operando".


Nanofil de Ge (diamètre : 250 nm, longueur : 10 µm) dans le dispositif à micromembranes à tamisage.
Expériences de diffraction µPhotocurrent et µXray.
Évolution des états électroniques avec contrainte de traction.

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