Melting into Applied inteGrated MAterials

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 (InGaAs, InSb), (2) quantum computation (InSb) and (3) high-speed electronics (InGaAs).

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 and characterization to enable the fabrication of monolithic infrared photodetector arrays in a planned follow-up project. The current project will be closely linked by collaborations with other researchers internally and externally to utilize the unique materials platform in projects related to quantum computation and high-speed communication, both during and continuing after the end of the project.

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 (Indium och Gallium) 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 har antingen varit 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 sedan över det med mer glas och hettar upp materialet så att det smälter, 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.

Detta projekt ämnar att vidareutveckla denna teknik, från att framförallt ha använts för germanium till att även möjliggöra framställning av de två viktigaste III-V halvledarna indium gallium arsenid (InGaAs) och indium antimonid (InSb). Framställningen av 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 fokuserar på att realisera en materialplattform som ska finna breda praktiska användningsområden. 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.