Croissance de nanofils SiGe en phase cristalline hexagonale sur substrats orientés m-plane pour l’intégration de l’électronique et de la photonique quantiques

Les phases hexagonales des semi-conducteurs du groupe IV présentent des propriétés électroniques et optiques remarquables, notamment l’apparition d’une bande interdite directe dans le germanium 2H et une émission infrarouge moyen modulable dans les alliages SiₓGe₁₋ₓ. Ces caractéristiques ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de dispositifs optoélectroniques intégrés et d’interfaces spin–photon dans le cadre des technologies quantiques. Toutefois, la croissance contrôlée de nanofils SiGe en phase hexagonale directement sur des substrats massifs demeure un défi majeur, les approches conventionnelles
par croissance vapeur–liquide–solide (VLS) favorisant la phase cubique stable. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen ONCHIPS et vise à développer des stratégies de
croissance permettant la stabilisation de nanofils de Ge et de SiGe de phase hexagonale orientés selon ⟨1-100⟩ sur des substrats hexagonaux m-plane (1-100). L’approche repose sur l’épitaxie par évaporation physique sous ultra-haut vide (UHV-PVE) et sur l’utilisation de catalyseurs à base d’or. En l’absence de GaAs wurtzite massif, des substrats hexagonaux II–VI tels que le
CdS-2H et le ZnS-4H ont été étudiés. Une stratégie alternative intégrant une couche tampon de GaAs a également été développée afin de fournir un gabarit cristallographique adapté. Les
mécanismes de démouillage du catalyseur Au et les paramètres de croissance ont été analysés
de manière systématique afin d’optimiser la formation de nanofils verticaux en phase hexagonale 4H de Si, de Ge et d’alliages Ge/SiₓGe₁₋ₓ, avec des compositions visées respectivement de x ≈ 0,55 et x ≈ 0,80. Les analyses structurales mettent en évidence le rôle
déterminant des énergies interfaciales, de la dynamique de la goutte catalytique et de l’orientation cristallographique dans la sélection de phase, ainsi que dans la transition entre régimes de croissance axiale et non axiale. Ce travail établit des lignes directrices pour la synthèse contrôlée de nanofils de SiGe en phase hexagonale sur substrats massifs et constitue une brique matériau essentielle pour la réalisation future de boîtes quantiques optiquement actives intégrées dans des architectures compatibles avec les dispositifs quantiques intégrés.

Composition du jury :
Rapporteurs :
José Pénuélas, MCF, INL Lyon – INSA
Caroline Bonafos, DR, CEMES Toulouse

Examinateurs :
Blandine Alloing, CR, CRHEA – Sophia Antipolis
Gilles Patriarche, DR, C2N
Edith Bellet, Ingénieure CEA (équivalent DR)

Invité :
Vincent Sallet, CR, GEMAC, Université Paris-Saclay