Couches nanométriques : formation, interfaces, défauts – Défauts ponctuels et spin

Equipe

• Membres permanents : Jean-Louis Cantin, Ian Vickridge, Emrick Briand
• Chercheur émérite : Jurgen Von Bardeleben

Identification des défauts des semiconducteurs à grande bande interdite

Dans le but de contribuer à lever les verrous technologiques de l’industrie microélectronique, nous cherchons à identifier les défauts dans différents semiconducteurs à grande bande interdite d’importance technologique pour l’optoélectronqiue, l’électronique de puissance et le photovoltaïque, tels que le SiC, le GaN ou plus récemment le Ga₂O₃. Les défauts ponctuels génèrent des états électroniques dans la bande interdite. Ils conditionnent donc les propriétés électriques et optiques de ces matériaux et par conséquent le fonctionnement des composants. Le carbure de silicium SiC en particulier est un matériau de choix pour la réalisation de composants pour l’électronique de puissance et haute fréquence. Grâce aux avancées réalisées dans la connaissance de sa croissance cristalline et de ses défauts, ce semi-conducteur est utilisé aujourd’hui dans les alimentations des moteurs électriques tels que ceux des voitures hybrides, des métros, en passant par les compresseurs des blocs de climatisation. Le gain en efficacité par rapport à la technologie antérieure permet une réduction de la consommation électrique de 30 à 40%. De nombreuses recherches sont en cours pour optimiser les performances et étendre le champ d’applications de ce semi-conducteur. Nos recherches exploitent la résonance magnétique électronique pour identifier et quantifier les défauts présents dans ces matériaux, par le biais de leur spin électronique. Nous tirons profit de l’accélérateur d’ions de l’équipe pour étudier les défauts induits par irradiation, dans le but d’amplifier la concentration de défauts pour les analyser ou pour comprendre le comportement des composants soumis à des rayonnements ionisants.

Légende : Photo-EPR: excitation optique in situ pour révéler les défauts. © INSP

Contrôle du magnétisme induit dans des semiconducteurs

Nos recherches portent également sur les propriétés magnétiques induites artificiellement au sein de semiconducteurs naturellement non magnétiques. Ce magnétisme peut être induit par dopage avec des ions magnétiques. On obtient alors des ‘semiconducteurs magnétiques dilués’ (DMS), intéressants pour l’électronique de spin car leurs propriétés physiques photo-, électro-, ou mécano- modulables constituent un atout de poids pour le contrôle de l’aimantation. Nous avons étudié l’origine du ferromagnétisme dans GaAs dopé avec Mn, qui est un DMS  avec une température de Curie autour de 180K. Nous nous sommes focalisés sur l’influence de la concentration en porteurs et des contraintes sur l’anisotropie magnétique des films de GaMnAs. Ce travail a été étendu aux alliages quaternaires GaMnAsP dont l’état de contrainte peut être contrôlé par la teneur en Phosphore. Nous avons pu déterminer les conditions optimales à la manipulation de l’aimantation de cet alliage et a débouché sur l’obtention de deux financements consécutifs par l’ANR. Nous avons ensuite montré que l’anisotropie magnétique uni-axiale de GaMnAsP est modifiée après bombardement ionique avec des ions hélium, par exemple il est possible d’induire une rotation de l’axe de facile aimantation de la direction [001] hors du plan du film à la direction dans le plan [100].

Parallèlement, plusieurs collaborations avec des chimistes de l’Inst. Parisien de Chimie Moléculaire ont engendré une extension de nos études vers des systèmes moléculaires magnétiques commutables par voie optique ou chimique, certains étant greffés sur des surfaces ou des nanoparticules de semiconducteur. Ces travaux ont été financés par trois projets ANR.

Légende : Approche multi fréquences pour la détermination des relaxations magnétiques. © INSP

Etude des défauts ponctuels pour les technologies quantiques de l’information

Depuis cinq ans, nous étudions les propriétés opto-magnétiques des défauts ponctuels du carbure de silicium dans l’objectif de les utiliser comme bit quantique pour la future informatique quantique. En 2015, nous avons identifié en particulier un défaut, appelé centre NV et formé par un atome d’azote (impureté du SiC) et une lacune de silicium, qui possède un spin électronique S=1 comme le centre NV du diamant, très étudié depuis une dizaine d’années pour cette même application, mais qui souffre de débouchés limités en raison du cout du diamant et des difficultés à le doper, notamment de type p. Ces deux difficultés sont levées par le SiC, aujourd’hui massivement utilisé et contrôlé par l’industrie microélectronique. Des expériences de résonance de spin électronique sous photo excitation optique ont permis de déterminer la signature magnéto optique des centres NV sur les différents sites cristallographiques des polytypes 6H, 4H et 3C du SiC. Les études des propriétés optiques du centre NV dans le SiC sont actuellement en cours afin de réaliser la détection optique de la résonance magnétique (ODMR) et d’établir la possibilité de la manipulation optique de son spin électronique. Ces études sont poursuivies à l’INSP grâce à une collaboration avec S. Hameau et B. Eble de l’équipe PMTeq et simultanément en partenariat avec l’équipe de W. Gao de la Nanyang Technological University (NTU Singapore) dans le cadre d’une collaboration initiée grâce à un projet Hubert Curien (PHC Merlion) obtenu fin 2016.

Légende :

Collaborations externes

• W. Gao – Nanyang Technological University (NTU Singapore)
• U. Gertsmann, Univ of Paderborn (Allemagne)
• V. Marvaud, G. Vives, S. Blanchard, Institut Parisien de Chimie Moléculaire (Sorbonne Université)

Publications récentes

Identification des défauts

• H. J. von Bardeleben and J. L. Cantin. Unusual conduction mechanism of n-type β-Ga₂O₃: A shallow donor electron paramagnetic resonance analysis, Journal of Applied Physics 128, 125702 (2020) https://doi.org/10.1063/5.0023546
• H. J. von Bardeleben H.J., Cantin J.L., Gendron F. (2020) Ferromagnetic Resonance Spectroscopy: Basics and Applications. In: Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-39668-8_12

Contrôle du magnétisme

• Benjamin Doistau, Lorien Benda, Jean-Louis Cantin, Olivier Cador, Fabrice Pointillart, et al.. Dual switchable molecular tweezers incorporating anisotropic Mn-salphen complexes. Dalton Transactions, Royal Society of Chemistry, 2020, 49 (26), pp.8872-8882. ⟨10.1039/d0dt01465f⟩. ⟨hal-02890145⟩
• Nathalie Bridonneau, Pierre Quatremare, Hans Jürgen von Bardeleben, Jean-Louis Cantin, Sébastien Pillet, et al.. Direct Evidence of a Photoinduced Electron Transfer in Diluted “Molybdenum-Copper” Molecular Compounds. European Journal of Inorganic Chemistry, Wiley-VCH Verlag, 2018, 2018 (3-4), pp.370-377. ⟨10.1002/ejic.201700983⟩. ⟨hal-01709670⟩

Etude des défauts ponctuels pour les technologies quantiques de l’information

• H. J. von Bardeleben, S. A. Zargaleh, J. L. Cantin, W. B. Gao, T. Biktagirov, and U. Gerstmann,Transition metal qubits in $4H$-silicon carbide: A correlated EPR and DFT study of the spin $S=1$ vanadium $V^{3+}$ center, Physical Review  Materials 3, 124605 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.124605
• – Kh. Khazen, H. J. von Bardeleben, S. A. Zargaleh, J. L. Cantin, Mu Zhao, Weibo Gao, T. Biktagirov, and U. Gerstmann. High-resolution resonant excitation of NV centers in 6H−SiC: A matrix for quantum technology applications. Physical Review B 100, 205202 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.205202
• S. Zargaleh, H. von Bardeleben, J. Cantin, U. Gerstmann, S. Hameau, et al.. Electron paramagnetic resonance tagged High Resolution Excitation Spectroscopy of NV-Centers in 4H-SiC. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2018, 98 (21), pp.214113. ⟨10.1103/PhysRevB.98.214113⟩. ⟨hal-02298324⟩
• S. Zargaleh, Sophie Hameau, Benoit Eble, F. Margaillan, Hans Jürgen von Bardeleben, et al.. Nitrogen vacancy center in cubic silicon carbide: A promising qubit in the 1.5μm spectral range for photonic quantum networks. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2018. ⟨hal-01902627⟩
• H. J. von Bardeleben, J. L. Cantin, A. Csóré, A. Gali, E. Rauls, et al.. NV centers in 3 C , 4 H , and 6 H silicon carbide: A variable platform for solid-state qubits and nanosensors. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2016, 94 (12), pp.121202(R) ⟨10.1103/PhysRevB.94.121202⟩. ⟨hal-01524178⟩
• S. Zargaleh, B. Eble, S. Hameau, J-L. Cantin, L. Legrand, et al.. Evidence for near-infrared photoluminescence of nitrogen vacancy centers in 4 H -SiC. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2016, 94 (6), pp.060102(R). ⟨10.1103/PhysRevB.94.060102⟩. ⟨hal-01524179⟩
• H. J. von Bardeleben, J. L. Cantin, E. Rauls, U. Gerstmann. Identification and magneto-optical properties of the NV center in 4 H − SiC. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2015, 92 (6), pp.064104. ⟨10.1103/PhysRevB.92.064104⟩. ⟨hal-01523482⟩