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Équipe Silicium Nanoélectronique Photonique et Structures (SiNaPS)


Publié le 8 juin 2022
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Présentation



Emmanuel Hadji
Biographie
Tel : +33 4 38 78 38 08
L'équipe SiNaPS étudie les nouveaux phénomènes physiques apparaissant lorsque le silicium est réduit à l'échelle nanométrique. Notre objectif est de dévoiler de nouveaux dispositifs basés sur la compréhension de ces phénomènes et d'explorer leurs applications futures. Par conséquent, la recherche SiNaPS s'étend de la croissance des matériaux et de la nanotechnologie à la caractérisation des propriétés électroniques / structurelles / optiques des nanostructures, jusqu'à la fabrication de prototypes de nanodispositifs. Nos efforts sont concentrés sur deux domaines : la physique des nanostructures à base de silicium et de germanium (nanofils, boîtes quantiques et alliages GeMn nanostructurés) et l'optique des microstructures optiques à longueur d'onde, à savoir les cristaux photoniques et les microcavités.
Principales réalisations et axes de recherche actuels

Parmi les principales réalisations, citons, dans le domaine des nanostructures du groupe IV, la croissance de nanofils de Si et de Ge cristallins de moins de 5 nm de diamètre, la croissance de nanofils de silicium nanostructurés (ramifiés), la nanofabrication de modèles d'alumine poreuse, la croissance d'alliages GeMn nanostructurés contenant une phase ferromagnétique à Tc élevée (>400 K).

Aux frontières de l'électronique et de l'optique, nous avons étudié les mécanismes de recombinaison des porteurs et d'émission de lumière dans des couches minces de silicium sur isolant (SOI) où nous avons démontré la condensation de Fermi-Dirac d'excitons dans un liquide métallique.

Dans le domaine des cristaux photoniques et des microcavités, nous avons d'abord mis en évidence le potentiel des structures à base de SOI pour contrôler le diagramme de rayonnement des photons. Nous avons ensuite démontré une forte amélioration (2 ordres de grandeur) de l'extraction de la lumière par des cristaux photoniques SOI à faible vitesse de groupe. Enfin, nous avons appliqué nos efforts à la recherche d'un confinement ultra-fort de la lumière dans des cavités à nanofaisceau à Q élevé (Q> 60 000 pour V = 0,6 (l/n)3 atteint).
Nous nous sommes ensuite intéressés à la pince optique sur puce, où nous avons réussi à piéger et à manipuler par la lumière des nanocolloïdes de taille inférieure à la longueur d'onde grâce à des forces optiques améliorées par la foudre. Nous avons poussé le curseur un peu plus loin en étudiant la possibilité de "manipuler" des cellules vivantes ou des biomatériaux par interaction avec des nanopincettes optiques sur puce. Une première étape a consisté à réaliser le piégeage optique non destructif de matériel vivant : des bactéries. La deuxième étape a consisté à démontrer la possibilité d'identifier les bactéries par leur interaction en champ proche avec la cavité du nanofaisceau en cristal photonique.



Dans le domaine des lasers compatibles avec le silicium, la percée a été la démonstration de l'émission laser à partir de Ge et d'alliages GeSn. Un premier objectif était de mettre en évidence la présence d'un gain à la bande interdite directe des films minces de Ge et/ou des alliages de GeSn déformés et fortement dopés. L'objectif suivant était de combiner ce matériau avec des cavités résonnantes optiques afin d'atteindre le régime d'émission stimulée. Nos travaux ont conduit à la démonstration de l'émission laser à température ambiante.

Enfin, l'équipe a également apporté de fortes contributions au domaine du stockage de l'énergie et du transport thermique à l'échelle nanométrique grâce à des collaborations intensives avec deux équipes voisines. Parmi ces travaux figurent des nanofils et des boîtes quantiques pour la production d'énergie dans les PEMFC, pour la récolte d'énergie avec des dispositifs thermoélectriques et pour le stockage d'énergie dans des supercondensateurs.





Outils de recherche

Pour atteindre ses objectifs, SiNaPS s'engage dans la croissance épitaxiale par MBE et par CVD des matériaux suivants : Si, Ge, SiGe, GeSn, GeMn. L'équipe est également très impliquée dans le développement du processus de nanofabrication de dispositifs à bande interdite photonique SOI, GeOI sur l'installation de nanofabrication en amont (PTA). Le troisième pilier de l'activité de SiNaPS est la spectroscopie de ces nanostructures, pour laquelle le laboratoire a développé une vaste expérience et de nombreux outils originaux tels que la spectroscopie à résolution spatiale, les mesures de photocourant à l'échelle du micron, la spectroscopie guidée par ondes, la spectroscopie par couplage évanescent, la spectroscopie optique en champ proche et un STM à basse température (avec des capacités de croissance in situ).

 

 
 



Environnement de recherche

Au-delà des trois piliers que sont la croissance des cristaux, la nanofabrication et la spectroscopie optique, le laboratoire utilise les installations du voisinage pour la caractérisation structurelle au sein de l'installation de nanocaractérisation (PFNC) et les techniques de diffraction des rayons X à l'installation européenne de rayonnement synchrotron située à proximité.

   



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