Equipe scientifique

• Y. André (Maître de Conférences HDR, UCA, CNU 28)
• G. Avit (Ingénieur d'Etudes, UCA)
• E. Gil (Professeur, UCA, CNU 28)
• A. Trassoudaine (Professeur, UCA, CNU 28)

• E. Chereau (Doctorant)
• E. Semlali (Doctorant)

Qu'est ce que la HVPE ?

L'Institut Pascal est le seul laboratoire mondial développant le procédé d'épitaxie en phase vapeur aux hydrures ou HVPE, pour la croissance de (nano)structures de semiconducteurs III-V (Ga,In)-(As,P) et III-N (Ga,In)-N.

La HVPE met en oeuvre des précurseurs de croissance gazeux d'hydrures VH3 et NH3, et des précurseurs chlorés IIICl dont la décomposition est rapide. La spécificité est qu'une grande quantité d'éléments III et V est pourvue par unité de temps.

Grâce à la décomposition rapide des précurseurs, une augmentation de la sursaturation de la phase vapeur se traduit par un déplacement immédiat de la réaction de dépôt vers la production du solide. La vitesse de croissance est fonction de la température et suit la courbe en cloche typique d'une croissance limitée par la thermodynamique et les cinétiques de surface :

Exploitation de la grande anisotropie de croissance pour le façonnage contrôlé de structures
La vitesse de croissance peut être modulée en faisant simplement varier la température et/ou les pressions partielles des précurseurs. Il est alors possible de tirer partie de la grande anisotropie de croissance des cristaux III-(V,N) puisqu'une large plage de vitesse de condensation peut être réglée de 3 à plus de 100 µm/h en fonction de la température et de la composition de la phase gazeuse, pour chaque face des cristaux :

 Articles sélectionnés
•    E. Gil et al., Hydride VPE for current III-V and nitride semiconductor compound issues, Handbook of Crystal Growth, Vol. III, Second Edition, Elsevier, Chapter 2, 51 (2015)
•    F. Reveret et al., Spatially resolved optical control of GaN grown by selective area hydride vapor phase epitaxy, Journal of Crystal Growth 421, 27 (2015)
•    E. Gil et al., Record high-aspect-ratio GaAs nano-grating lines grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE), J. Crystal Growth 380, 93 (2013)
•    Y. Andre et al., Demonstration of crystal-vapor equilibrium leading to a growth blockade of GaN during selective area growth, Journal of Crystal Growth 354, 135 (2012)
•    O. Chelda-Gourmala et al., Complete HVPE experimental investigations: cartography of SAG GaN towards quasi-substrates or nanostructures, Journal of Crystal Growth 312, 1899 (2010)

La HVPE pour la croissance rapide de nanofils ultra-longs

La croissance HVPE assistée de métal catalyseur Au ou Au-Ni qui met en jeu un système à trois phases vapeur-liquide-solide (VLS), produit des nanofils très longs en des temps de procédé très courts, à des vitesses de solidification axiale allant de 100 à 200 µm/h. Ces nanofils sont de diamètre constant et de phase cristalline constante (pas de polytypisme) :

La HVPE a démontré qu'un nanofil de GaAs pouvait être cubique (phase zinc blende pure) sur un rayon record de 5 nm :

Pourquoi ? La croissance axiale des nanofils est favorisée par l'apport des précurseurs directement dans les gouttelettes de catalyseur Au-Ga. Les pressions partielles élevées résultent en des concentrations élevées en Ga dans les gouttelettes, ce qui  diminue l'énergie de surface. La nucléation ne peut alors avoir lieu qu'à l'intérieur de la gouttelette, à l'interface liquide-solide entre la gouttelette et le nanofil. Ceci génère une phase cubique zinc blende, quel que soit le rayon du nanofil.

Articles sélectionnés
•    G. Avit et al., Ultralong and defect-free GaN nanowires by the HVPE process, Nano Letters 14, 559 (2014)
•    E. Gil et al., Record pure zincblende phase in GaAs nanowires down to 5 nm in radius, Nano Letters 14, 3938 (2014)
•    G. Avit et al., Catalyst-assisted Hydride Vapor Phase Epitaxy of GaN nanowires: exceptional length and constant rod like shape capability, Nanotechnology 23, 405601 (2012)
•    M.R. Ramdani et al., Fast Growth Synthesis of GaAs Nanowires with Exceptional Length, Nano Letters 10, 1836 (2010)

La HVPE pour la croissance de micropiliers GaN sur Si - Procédé hybride MOVPE/HVPE

Des réseaux denses de piliers de GaN sont synthétisés par croissance sélective HVPE sur substrat masqué AlN/Si (100). Des piliers à haut rapport de forme sont obtenus sans avoir recours à l'ajout de silane dans la phase gazeuse. La reprise d'épitaxie MOVPE de multipuits quantiques InGaN/GaN radiaux-coquilles sur des coeurs GaN-HVPE a été démontrée pour la première fois.

Articles sélectionnés
•    G. Avit et al., GaN rods grown on Si by SAG-HVPE towards GaN HVPE/InGaN MOVPE core/shell structures, Crystal Growth and Design 16, 2509 (2016)
•    A. Trassoudaine et al., Spontaneous formation of GaN/AlN core-shell nanowires on sapphire by HVPE, J. Crystal Growth 454, 1 (2016)

La croissance HVPE pour les nanofils : quel devenir ?

• Croissance auto-catalysée de nanofils : en cours de mise en ligne.

En attendant :

Articles sélectionnés
•    Z. Dong et al., Self-catalyzed GaAs nanowires on silicon by HVPE, Nanotechnology 28, 125602 (2017)
•    V.G. Dubrovskii et al., Nucleation and initial radius of self-catalyzed III-V nanowires, J. Crystal Growth 459, 194 (2017)

• Croissance de nanofils InGaN avec variation contrôlée de la composition du ternaire : en cours de mise en ligne.

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Collaborations

• •    Pr. Hiroshi AMANO, Prix Nobel de Physique 2014, université de Nagoya (Japon). Professeur Honoris Causa de l'Université Blaise Pascal et de l'Université d'Auvergne in 2016. Collaboration sur le projet INSOLIUM, "InGaN nanowires-based solar cells on silicon substrate" financé par PRC CNRS-JSPS et la fondation de l'Université d'Auvergne.
  •    Pr. Vladimir DUBROVSKII, St Petersburg Academic University, IOFFE Physical Technical Institute of St Petersburg, ITMO University of St Petersburg. Professeur invité régulièrement (Université Blaise Pascal / IMobS3 LabEx). Modélisation de la croissance des nanofils.
  •    ITMO St Petersburg (Russie), collaboration contractuelle internationale. Croissance des nanofils.
  •    Consortium Région AURA : INAC CEA (Grenoble), Institut des Nanotechnologies (INL) (Lyon), Institut Néel (Grenoble). Projet ENNORA (voir ci-dessous).

Projets nationaux et internationaux

• L'équipe HVPE est un partenaire du laboratoire français d'excellence GaNeX (depuis 2012) qui rassemble la communauté française d'étude des nitrides.
• Projet ENNORA : Epitaxie de nanofils semiconducteurs pour l'énergie. Propriétés structurales, optiques et de transport électrique. Projet financé par la Région AURA (2017-2020).
• Le projet français ANR “FIDEL” 2012-2015 : InGaN Nanowires for Electroluminescent Diodes. Notre équipe développe la croissance des nanofils InGaN avec des morphologies contrôlées et des propriétés optiques. Collaborations: CEA/LETI-Grenoble et Institut Néel, Grenoble, France.
• Le projet français ANR "SPINJECT" 2006-2009 : Spin polarized tunneling from an optically excited GaAs tips. Nous avons démontré le potentiel du procédé HVPE pour le développement des pointes GaAs avec des morphologies contrôlées requises pour l'injection de spin à utiliser pour la microscopie à effet tunnel par balayage polarisé. Collaboration : Ecole Polytechnique Palaiseau, Laboratoire PMC, France.
• Le projet européen PARSEM 2005-2009 (6e PCRDT CEE RTN) : Interfacial phenomena at atomic resolution and multi-scale properties of novel III-V semiconductors. Le procédé HVPE a fourni de très épaisses couches GaN (0.5 mm) avec une densité de dislocation faible (<10⁶ cm^-2).