MAGMA - Melting into Applied inteGrated MateriAls
- Reference number
- ICA16-0018
- Start and end dates
- 170901-210831
- Amount granted
- 4 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lunds tekniska högskola
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
In this project the applicant will establish a cost-effective III-V nanomaterials platform on silicon (Si) and flexible substrates, based on Rapid Melt Epitaxy (RME), for utilization in three applied research areas: (1) infrared optoelectronic devices, (2) quantum computation and (3) high-speed communication. To achieve the main goal of the project the applicant will investigate how to extend RME, a promising method for nanoscale III-V semiconductor epitaxy on oxide-covered Si substrates, to allow for the first time three specific objectives 1."The formation of high-quality horizontal InSb micro- and nanostructures on Si using RME. 2."Formation of ternary InxGa1-xAs nanostructures with homogeneous composition on Si using RME. 3."Utilization of flexible 2D materials, transition metal dichalcogenides, as alternative substrates for RME. The project focuses on the substrate process development, material synthesis, modeling of the RME growth process, as well as materials characterization. The applicant will also perform the necessary materials development to enable the fabrication of monolithic infrared photodetector arrays in a planned follow-up project. The project will be closely linked to the application areas by collaborations to utilize the unique materials platform for quantum computation and high-speed communication. It is the target that the developed materials platform will be the foundation on which the applicant will build his research in the next decade.
Popular science description
De så kallade III-V halvledarna har fantastiska materialegenskaper såsom att möjliggöra snabbare elektrontransport, och att de skiner och samlar ljus vid lämpliga infraröda våglängder för kommunikation och detektion av värme och växthusgaser. Ren III-V-teknik är dock mycket dyr och vissa av råmaterialen som krävs för att framställa dem är mycket sällsynta. Under många år har man därför försökt att integrera III-V material med den väletablerade kiseltekniken, för att kunna behålla fortsatt låg tillverkningskostnad men ändå kunna utnyttja III-V materialens goda egenskaper. Än så länge har kvaliteten på de integrerade III-V materialen varit antingen för dålig eller så har metoderna varit för kostsamma. En teknik som skulle kunna möjliggöra III-V integration av hög kvalitet till låg kostnad är den så kallade Rapid Melt Epitaxy-tekniken, eller Snabb-smält epitaxi på svenska. Tekniken går ut på att man deponerar och formar en struktur av lågkvalitativ III-V halvledare ovanpå en glastäckt kiselyta, så att den endast är i kontakt med kiselytan i en väldig liten punkt, motsvarande cirka en tusendel av bredden på ett hårstrå. Sedan täcker man materialet med mer glas och hettar upp det över smältpunkten, efter vilket det tillåts att stelna igen. Då kristalliseras materialet med start utifrån den punkt där det är i kontakt med kiselytan och hela strukturen kommer att bli till en enda stor kristall av hög kvalitet. I detta projekt vidareutvecklas denna teknik, från att framförallt ha använts för germanium till att även möjliggöra framställning av de två viktiga III-V halvledarna indium gallium arsenid (InGaAs) och indium antimonid (InSb). Dessa material erbjuder utmaningar som kräver fördjupad förståelse för Rapid Melt Epitaxy-processen, och experimentell forskning kommer därför att kompletteras med detaljerad numerisk modellering. Dessutom kommer man utvärdera användning av andra substratmaterial än kisel, specifikt en typ av lovande två-dimensionella material som kan möjliggöra böjbara substrat. Projektet ämnar att realisera en materialplattform som ska finna bred praktisk användning. Därför kommer projektarbetet att förbereda för tillämpning av materialen inom tre områden: sensorer för infra-rött ljus, kvantdatorer, samt höghastighetskommunikation. Materialplattformen kommer att tidigt göras tillgänglig för både nationella och utländska forskargrupper inom dessa tillämpningsområden för att bygga starka och långsiktiga samarbeten.