Croissance cristal sur cristal : la maîtrise d'un art complexe
Au CEA-Leti, les chercheurs travaillent sur une variété de matériaux à base de silicium (Si), germanium (Ge) et étain (Sn) ou de nitrures de gallium (Ga), aluminium (Al) et indium (In). Le cœur du problème pour un spécialiste de l'épitaxie est de faire croître un cristal sur un autre cristal en minimisant les contraintes des couches épitaxiées et tout en évitant la formation de défauts. Pour réaliser des dispositifs innovants, les chercheurs du CEA-Leti déposent des empilements complexes de divers matériaux afin de créer des couches simples ou multiples dont l’épaisseur peut mesurer plusieurs centaines de nanomètres.
"Dans le cas des nitrures, nous cherchons à développer des transistors de puissance et de radiofréquence ainsi que des micro-LEDs pour divers secteurs tels que l'industrie automobile, les communications et les micro-écrans", explique Amélie Dussaigne, chercheuse, experte en materiaux III-N au CEA-Leti. "Un de nos défis dans le domaine des micro-écrans est d’obtenir les trois pixels rouge, vert, bleu, épitaxiés sur le même substrat (avec une émission rouge efficace grâce à une structure tout InGaN). Nous avons récemment réalisé des pixels bleus et verts sur le même substrat. Des zones actives homogènes émettant dans la gamme rouge ont également été obtenues, grâce à une approche d'épitaxie innovante qui permet d’incorporer jusqu'à 45 % d'indium (In)."
L'épitaxie au service des applications FD-SOI
Le CEA-Leti est connu dans le monde entier pour son développement précurseur de la technologie FD-SOI sur des plaques de silicium de 300 mm. L'un des éléments clés du succès de cette technologie est la création de contacts électriques optimisés en diminuant les courants de fuites. Afin d'obtenir une jonction efficace, les chercheurs ont dû comprendre comment épaissir sélectivement les zones source et drain des transistors N-MOS en utilisant du silicium dopé in-situ au phosphore (Si:P) par épitaxie.
"L'utilisation du Si:P réduit la résistance des points de jonction des contacts électriques et améliore fortement l'intensité du courant électrique. En 2023, nous avons fortement optimisé les propriétés du matériau Si:P par épitaxie et avons pu améliorer les performances du transistor de 50 %", souligne Joël Kanyandekwe, ingénieur de recherche en épitaxie au CEA-Leti.
Une nouvelle génération d'épitaxie Si:P à basse température est actuellement en cours de développement dans nos laboratoires de recherche afin d'incorporer encore plus de phosphore ionisés dans les zones d’intérêt du transistor.
En plus des travaux sur les transistors N-MOS, les chercheurs du CEA-Leti innovent pour améliorer les performances des transistors P-MOS. Au lieu d'utiliser le Si:P, les chercheurs développent un procédé d'épitaxie qui repose sur le silicium-germanium dopé au bore (SiGe:B). Cette approche permettra aux futures générations de procédés d'épitaxie de répondre aux besoins de la technologie FD-SOI 10nm.