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FA3 - Grupo Nuevos Materiales

 

 


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Una manera de hacer Europa

LaserActive

Ingeniería de materiales para nuevos dispositivos microelectrónicos y fotónicos: Procesamiento láser para activar boro en aleaciones de germanio con estaño. (MAT 2011-24077)

Datos generales:

  • Código: MAT2011-24077
  • Duración: 01/01/2012 - 31/12/2014
  • Cuantía de la subvención: 89 999,80 €
  • I.P.: Stefano Chiussi (schiussi@uvigo.es)

Equipo:
(* en dedicación compartida)

  • Dr. Stefano Chiussi ( Prof. Tit. Univ. )
  • Stefan Stefanov (Licenciado en CC.Físicas)
  • Dr. Alessandro Benedetti (Técnico superior)*
  • Drª Carmen Serra (Técnico superior)*
  • Estefanía López Silva (Técnico superior)*
  • Pablo Barreiro (Técnico)* hasta 1/1/2013
  • Cosme Rodríguez (Invstigador contratado)* 1/07/2013 - 30/09/2013

Objetivo y motivación:

El proyecto LaserActiv se centró en el procesamiento láser de aleaciones heteroepitaxiales de germanio-estaño (GeSn) para aplicaciones en microelectrónica y circuitos fotónicos integrados. La importancia de este tipo de aleaciones desde punto de vista científico y tecnológico se demostró muy recientemente, gracias a intensas cooperaciones con las EPO internacionales de este proyecto, que dieron lugar a la obtención de aleaciones epitaxiales del grupo IV con gap directo y la producción de un láser crecido sobre oblea de silicio [1].
El desafío en cuanto a la optimización de este tipo de aleaciones reside en la baja solubilidad de estaño (Sn) en germanio (Ge) y la gran diferencia de sus parámetros de red, que no permiten el uso de tratamientos térmicos convencionales, puesto que darían lugar a la formación de precipitados de estaño, la segregación del mismo y la formación de dislocaciones.
El procesamiento láser estudiado en el marco de este proyecto, se basa en usar pulsos de un laser de Exímero para realizar ciclos ultracortos de calentamiento y enfriamiento del material irradiado, que permiten fundir y resolidificar el GeSn en pocas decenas de nanosegundos. Mediante el ajuste de los principales parámetros experimentales (espesores y secuencia de  capas y multicapas irradiadas, densidad de energía y número de pulsos) se logró controlar la formación de perfiles de concentración tanto de Sn como de diferente dopantes, la cristalización epitaxial de capas precursoras amorfas y zonas previamente amorfizadas por implantación de iones, la activación de dopantes y la formación de patrones con zonas de muy alto contenido de Sn [2-5]. La simulación numérica del proceso, apoyada por medidas “in situ” de los tiempos de fusión,  permitió la optimización del mismo y profundizar en el entendimiento de las interacciones físico-químicas involucradas.

[1] S.Wirths et al., Lasing in direct bandgap GeSn alloy grown on Si (001), Nature Photonics (2015) doi:10.1038/nphoton.2014.321
[2] S.Stefanov et al. Laser synthesis of germanium tin alloys on virtual germanium Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 104101
[3] G.V.Luong et al. Study of dopant activation in biaxially compressively strained SiGe layers using excimer laser annealing,
J. Appl. Phys. 113 (2013) 204902
[4] S.Stefanov et al. Structure and composition of Silicon-Germanium-Tin microstructures obtained through Mask Projection assisted Pulsed Laser Induced Epitaxy, Microelectronic Eng. 125 (2014) 18[5] S.Chiussi et al. UV Excimer Laser Assisted Heteropitaxy of (Si)GeSn on Si(100, )Si,Ge. And Related Compounds ISBN 978-1-62332-186-4, ECS Transactions 64 (2014) 115

Producción Científica:

Publicaciones Peer review
* S.Stefanov, J.C.Conde, A.Benedetti, C.Serra, J.Werner, M.Oehme, J.Schulze, D.Buca, B.Holländer, S.Mantl, S.Chiussi
Laser synthesis of germanium tin alloys on virtual germanium Applied Physics Letters 100 (2012) 104101-1- 104101-3
* S.Stefanov, J.C.Conde, A.Benedetti, C.Serra, J.Werner, M.Oehme, J.Schulze, D.Buca, B.Holländer, S.Mantl, S.Chiussi
Silicon germanium tin alloys formed by pulsed laser induced epitaxy Applied Physics Letters 100 (2012) 204102  -1 - 204102-3
* J.C.Conde, E.Martín, S.Stefanov, P.Alpuim, S.Chiussi
FEM numerical analysis of excimer laser induced modification in alternating multi-layers of amorphous and nano-crystalline silicon films Applied Surface Science 258 (2012) 9342-9346
* F.Gontad, J.C.Conde, S.Filonovich, M.F.Cerqueira, P.Alpuim, S.Chiussi
Study on excimer laser irradiation for controlled dehydrogenation and crystallization of boron doped hydrogenated amorphous/nanocrystalline silicon multilayers Thin Solid Films 536 (2013) 147–151
* G.V.Luong, S.Wirths, S.Stefanov, B.Holländer,  J.Schubert, J.C.Conde, T.Stoica, U.Breuer, S.Chiussi, M.Goryll, D.Buca, and S.Mantl
Study of dopant activation in biaxially compressively strained SiGe layers using excimer laser annealing J. Appl. Phys. 113 (2013) 204902
* S.Wirths, Z.Ikonic, A.T.Tiedemann, B.Holländer, T.Stoica, G.Mussler, U.Breuer, J.M.Hartmann, A.Benedetti, S.Chiussi, D.Grützmacher, S.Mantl, and D.Buca
Tensely strained GeSn alloys as optical gain media, Applied Physics Letters 103 (2013) 192110-1 - 192110-5
* S.Stefanov, C.Serra, A.Benedetti, J.C.Conde, J.Werner, M.Oehme, J.Schulze, S.Wirths, D.Buca, S.Chiussi
Structure and composition of Silicon-Germanium-Tin microstructures obtained through Mask Projection assisted Pulsed Laser Induced Epitaxy Microelectronic Engineering 125 (2014) 18-21
* A.Scheit, T.Lenke, D.Bolze, S.Chiussi, S.Stefanov, P.Gonzalez, T.Schumann, W.Skorupa
Dopant profile engineering using ArF excimer laser, flash lamp and spike annealing for junction formation
IEEE Proceedings of the International Conference on Ion Implantation Technology (2014) art. no. 6940000, DOI: 10.1109/IIT.2014.6940000
* D.Buca, S.Wirths, D.Stange, A.T.Tiedemann, G.Mussler, Z.Ikonic, S.Chiussi, J.M.Hartmann, D.Grützmacher, S.Mantl,
Si-Ge-Sn heterostructures: Growth and applications
IEEE 7th International Silicon-Germanium Technology and Device Meeting, ISTDM 2014,
ISBN: 978-1-4799-5427-8 (2014) art. no. 6874691, 163-164. DOI 10.1109/ISTDM.2014.6874691
* S.Chiussi, S.Stefanov, A.Benedetti, C.Serra, D.Buca, J.Schulze, P.González
UV Excimer Laser Assisted Heteropitaxy of (Si)GeSn on Si(100)
Si,Ge. And Related Compounds6: Materials, Processing, and Sevices ISBN 978-1-62332-186-4, Eds. D.Harame, M.Caymax, M.Heyns, G.Masini, S.Miyazaki, G.Niu, A.Reznicek, K.Saraswat, B.Tillack, B.Vincent, Y.C.Yeo, A.Ogura, J.Murota, Publ. The Electochemical Society, ECS Transactions 64 (2014) 115- 125
* S.Wirths, R.Geiger, N. von den Driesch, G.Mussler, T.Stoica, S.Mantl, Z.Ikonic, M.Luysberg, S.Chiussi, J.M.Hartmann, H.Sigg, J.Faist, D.Buca and D.Grützmacher.
Lasing in direct bandgap GeSn alloy grown on Si (001)Nature Photonics (published online 19 January 2015) doi:10.1038/nphoton.2014.321

Nota: Algunos artículos, en los que nadie de nuestro grupo figura de primer autor, reflejan parcialmente resultados y conclusiones derivadas de experimentos realizados en el marco de este proyecto y fueron de enorme beneficio para el mismo. Sin embargo la financiación (infraestructura, fungibles, análisis, personal implicado, etc.) aportada por cada uno de los grupos de co-autores (entre ellos las EPOs del proyecto) superó en varios órdenes de magnitud a la financiación proporcionada a este proyecto, con lo cual no se logró que sea mencionado en los agradecimientos.

Contribucuiones a congresos
* JSPS-UVigo (oral)
A.Benedetti, S.Stefanov, J.Serra, P.González, S.Chiussi,
FIB preparation and TEM characterization of Ge/Sn based alloys
Int’l Core to core Workshop on “Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration”, Vigo (2012) (Internacional)
* JSPS-UVigo  (oral)
S.Stefanov, C.Conde, C.Serra, A.Benedetti, S.Chiussi
Laser processing of heteroepitaxial GeSn and SiGeSn alloys
Int’l Core to core Workshop on “Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration”, Vigo (2012) (Internacional)
* JSPS-UVigo (oral)
S.Stefanov, C.Conde, E.Martín, J.Serra, P.González, S.Chiussi
UV Excimer laser treatment of SiGe and SiGeSn: Numerical modeling through finite elements methods
Int’l Core to core Workshop on “Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration”, Vigo (2012) (Internacional)
* JSPS-USendai (Invitado)
S.Chiussi, S.Stefanov, J.C.Conde, J.Serra, P.González
Silicon-Germanium-Tin buffer layers through Pulsed Laser Induced Epitaxy.
The Joint Symposium of 7th International Symposium on Medical, Bio- and Nano-Electronics, 4th International Workshop on Nanostructures & Nanoelectronics, and JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration", Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University, Japón (2013) (INTERNACIONAL)
* ICSI-8 (oral)
S.Stefanov, A.Benedetti, J.C.Conde, J.Leitão, J.Werner, M. Oehme, J. Schulze, S. Wirths, D. Buca, S. Chiussi
Pulsed Laser Induced Epitaxy of Silicon Germanium Tin alloys
8th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, Fukuoka (2013) Japón (Internacional)
* ISCSI-6 (oral)
S.Stefanov, C.Serra, A.Benedetti, J.C.Conde, J.Werner, M.Oehme, J.Schulze, S.Wirths, D.Buca, S.Chiussi
Silicon-Germanium-Tin Microstructures obtained through Mask Projection assisted PLIE
6th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces, Fukuoka (2013) Japón (Internacional)
* JSPS Fukuoka (oral)
S.Stefanov, F.Gontad, J.C.Conde, C.Serra, A.Benedetti, S.Wirths, U.Breuer, P.Alpuim, D.Buca, S.Chiussi
Dopant diffusion and activation in Excimer laser annealed group IV semiconductors
JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration", Fukuoka (2013) Japón (INTERNACIONAL)
* ICSI-8 (oral)
Y.Shimura, W.Wang, T.Nieddu, F.Gencarelli, B.Vincent, P.Laha, H.Terryn, S.Stefanov, S.Chiussi, J.Van Campenhout, N.Duy Nguyen, A.Vantomme, R.Loo
Bandgap Measurement by Spectroscopic Ellipsometry for Strained Ge1-xSnx
8th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, Fukuoka (2013) Japón (Internacional)
* ICSI-8 (oral)
S.Wirths, S.Stefanov, J.-H. Fournier-Lupien, Z.Ikonic, S.Chiussi, O.Moutanabbir, A.T.Tiedemann, P.Bernardy, B.Holländer, G.Mussler, T.Stoica, J.-M.Hartmann, D.Grützmacher, S.Mantl, D.Buca
Growth and Exploitation of Strained Ge/(Si)GeSn Heterostructures for Optical, Electrical and Thermoelectric Application
8th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, Fukuoka (2013) Japón (Internacional)
* JSPS-C2C-IHP (invitado)
S.Stefanov, C.Serra, A.Benedetti, J.C.Conde, J.Werner, M.Oehme, J.Schulze, S.Wirths, D.Buca, and S.Chiussi
Mask Projection assisted Pulsed Laser Induced Epitaxy of Silicon-Germanium-Tin patterns
JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration", Research Institute of Electrical Communication, ihp Innovations for high performance microelectronics, Frankfurt (Oder), Alemania (2013) (INTERNACIONAL)
* JSPS-C2C-IHP (invitado)
S.Wirths, G.Mussler, D.Grützmacher, S.Mantl, D.Buca, Z.Ikonic, S.Chiussi, J.M.Hartmann
Strain engineered Ge based materials for optoelectronics
JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration", Research Institute of Electrical Communication, ihp Innovations for high performance microelectronics, Frankfurt (Oder), Alemania (2013) (INTERNACIONAL)
* JSPS-C2C-IHP (invitado)
J.Schulze, A.Blech, I.A.Fischer, D.Hähnel, M.Oehme, F.Oliveira, K.Kostecki, M.D.Buca, S.Chiussi
Heteroepitaxial GeSn Films with High Doping and Tin Concentrations for Device Applications
JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration", Research Institute of Electrical Communication, ihp Innovations for high performance microelectronics, Frankfurt (Oder), Alemania (2013) (INTERNACIONAL)
* EMRS Fall 2013 (oral)
S.Stefanov, C.Serra, A.Benedetti, J.C.Conde, J.Werner, M.Oehme, J.Schulze, S.Wirths, D.Buca, S.Chiussi
Structure and composition of Silicon-Germanium-Tin microstructures obtained through Mask Projection assisted Pulsed Laser Induced Epitaxy
E-MRS Fall Meeting 2013 Warshow (2013) Poland (INTERNACIONAL)
* EMRS Fall 2013 (oral)
Y.Shimura, W.Wang, F.Gencarelli, B.Vincent, T.Nieddu, P.Laha, H.Terryn, S.Stefanov, S.Chiussi, J.Van Campenhout, N.Duy Nguyen, A.Vantomme, R.Loo
Theoretical and experimental investigation of the GeSn bandgap
E-MRS Fall Meeting 2013 Warshow (2013) Poland (INTERNACIONAL)
* JSPS-C2C-Tohoku (invitado)
S.Stefanov, C.Serra, A.Benedetti, M.Oehme, J.Schulze, S.Wirths, D.Buca, and S.Chiussi
Scanning Pulsed Laser Induced Epitaxy of (Si)GeSn alloys
7th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics and JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration" Tohoku University, Japón (2014) (INTERNACIONAL)
* ISTDM 2014 (oral)
D.Buca, S.Wirths, D.Stange, A.T.Tiedemann, G.Mussler, Z.Ikonic, S.Chiussi, J.M.Hartmann, D.Grützmacher, S.Mantl
Si-Ge-Sn heterostructures: growth and applications
7th International Silicon Germanium Technology and Device Meeting (ISTDM), Singapore (2014), Singapore (INTERNACIONAL)
* IIT-2014 (poster)
A.Scheit, T.Lenke, D.Bolze, S.Chiussi, S.Stefanov, P.Gonzalez, T.Schumann, W.Skorupa
Dopant profile engineering using ArF excimer laser, flash lamp and spike annealing for junction formation International Conference on Ion Implantation Technology, Portland (2014) USA (INTERNACIONAL)
* 18th International Microscopy Congress (poster)
A.Benedetti, S.Stefanov, S.Chiussi
FIB/TEM characterization of Si/Ge/Sn alloys
18th International Microscopy Congress, Praga (2014) República Checa (INTERNACIONAL)
* XTOP 2014 (oral)
P.Zaumseil, S.Stefanov, S.Chiussi
Lab-based X-ray Characterization of Laser processed (Si)GeSn Structures
12th Biennial Conference on High-Resolution X-Ray Diffraction and Imaging (XTOP 2014), Grenoble & Villard-de-Lans (2014) Francia (INTERNACIONAL)
* 226th ECS (invitado)
S.Chiussi, S.Stefanov, A.Benedetti, C.Serra, D.Buca, J.Schulze, P.González
UV Excimer Laser Assisted Heteropitaxy of (Si)GeSn on Si(100),
Si,Ge. And Related Compounds6: Materials, Processing, and Devices
Joint International 226th Electrochemical Society Meeting, Cancún (2014) México (INTERNACIONAL)

EPOs y colaboraciones con empresas o sectores socioeconómico:

EPOs del proyecto:
IHT-Stuttgart (Alemania): Análisis Raman (325 nm) y elipsometría espectroscópica (SE) de capas de GeSn. Suministro de precursores [heteroestructuras de Sn/v-Ge(Si100)] y de aleaciones de GeSn con diferentes concentraciones de Sn para su activación mediante radiación láser. Acceso a su sala blanca para el análisis de muestras y la producción de capas precursoras. Medidas eléctricas de muestras irradiadas.
imec (Bélgica): Análisis XRD (RSM) de capas de SiGeSn procedentes de la UVigo y envío de muestras para la calibración de medidas TOF-SIMS a coste 0. Interpretación de medidas de elipsometría espectroscópica.
UNagoya (Japón): Interpretación de resultados.

Nuevos contactos:
FZJülich (Alemania): Medidas RBS y SIMS de las capas SiGeSn procedentes de Vigo a coste 0, suministro de capas de Ge, GeSn y SiGeSn, implantación de dopantes, medidas eléctricas de las capas tratadas con láser.
UAveiro (Portugal): Medidas Raman (325 nm), XRD (RSM) y PL de las capas SiGeSn procedentes de Vigo
BW-München (Alemania) : Asesoramiento para la transformación de los laboratorios existentes  en Vigo en salas blancas
University of LEEDS (Inglaterra): Cooperación en la modelización de las características ópticas de las aleaciones de GeSn y SiGeSn.
ihp-Frankfurt/Oder (Alemania): Cooperación en ELA de aleaciones de SiGe y análisis de activación de dopantes, medidas eléctricas y de XRD de alta resolución.
UMinho, INL Braga (Portugal): Se iniciaron estudios evaluando sobre nuevas aplicaciones de GeSn procesado por láser, tanto como componentes en baterías flexibles (UMinho) como en biosensores fotónicos (INL-Braga).

Empresas:
Con las EPO Lasing en Madrid y la multinacional Coherent en Alemania, se iniciaron trabajos de asesoramiento en el diseño de un sistema de PLIE para microestructuración y tratamiento de grandes áreas y la planificación de “application sheets” para PLIE de SiGeSn y activación de dopantes con láseres de Excimero. Además se envió un trabajo conjunto con Coherent al 13th Conference on Laser Ablation (COLA-2015). También se tomaron contactos con las Pymes DAS Photonics en Valencia y OneFive (Suiza) para la creación de un dispositivo fotónico basado en GeSn/SiGeSn y la solicitud de proyectos EU conjuntos. Finalmente se iniciaron contactos con las empresas Irida en Madrid y NT-MDT (con sedes en Rusia e Irlanda), para evaluar la aplicabilidad de medidas AFM-Raman y TERS a capas microestructuradas de SiGeSn.

Actividades de Internacionalización:

En 2014:
Renovación en el JSPS Core-to-Core Program A-Advanced Research Networks (Japón)
International Collaborative Research Center on Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration (ICRC-ACP4ULSI). Red de cooperación concedida por la Japanese Society for the Promotion of Science a los partners Japoneses (uno de ellos EPO del Proyecto) para organizar Workshops y inicio de planificación de una solicitud en el marco del programa M-Era-Net.
COST Action, Call: oc-2014-1
EN4SIT, Enabling integrable group 4 Smart Infrared Technology oc-2014-1-18062, evaluado desfavorablemente con evaluación de 29.33/36. El proyecto pretendía crear una red sobre diseño y producción de materiales y dispositivos del grupo IV (que incluye el SiGeSn) para optoelectrónica integrada en CMOS.

En 2013:
Renovación en el JSPS Core-to-Core Program A-Advanced Research Networks (Japón)
International Collaborative Research Center on Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration (ICRC-ACP4ULSI). Red de cooperación concedida por la Japanese Society for the Promotion of Science a los partners Japoneses (uno de ellos EPO del Proyecto) para organizar Workshops.
STREP- ICT FET Open Call, FP7-ICT-2013-11
Integrable Group IV Light Emitters for Photonic Integrated Circuits  (IN4LIGHT), que pasó la 1ª y la 2º fase siendo esta última evaluada con 5/5, 4,5/5 y 4,5/5 en la 2ª fase quedándose sin embargo sin financiación.
Otros socios: ULeeds( UK),IHT Stuttgart (Alemania), INTERUNIVERSITAIR MICRO-ELECTRONICA CENTRUM (Belgica), Politécnico di Milano(Italia), DAS Photonics (España), PSI (Suiza), FZ-Jülich (Alemania), OneFive (Suiza),
Se está evaluando la adaptación del proyecto a convocatorias nuevas en el marco H2020.
COST Action, Call: oc-2013-2
EN4SIT, Enabling integrable group 4 Smart Infrared Technology oc-2013-2-16619, evaluado desfavorablemente con evaluación de 25/36. El proyecto pretendía crear una red sobre diseño y producción de materiales y dispositivos del grupo IV (que incluye el SiGeSn) para optoelectrónica integrada en CMOS.
Se está mejorando la solicitud para enviarla al siguiente y último COST call en Marzo 2014.

En el 2012:
Marie Curie Initial Training Networks (ITN), Call: FP7-PEOPLE-2012-ITN
Next Generation Transistors Training Network (NG TRA-I-N) evaluado favorablemente (81,6/100, siendo 70 el corte) pero se quedó sin financiación
imec (Bélgica), IHP Frankfurt (Alemania), KU Leuven (Bélgica), NCSR (Grecia), GlobalFoundaries (Alemania), Horiba (Francia), Praxair (Bélgica)
STREP- ICT, FET Open Call, FP7-ICT-2011-C
Integrable Group IV Light Emitters for Photonic Integrated Circuits  (IN4LIGHT), que pasó la 1ª fase y fue evaluada con 3/5, 5/5 y5/5 en la 2ª fase quedándose sin financiación, por o superar el corte en uno de los apartados.
Otros socios: imec  (Bélgica), ULeeds( UK),IHT Stuttgart (Alemania), PSI (Suiza), FZ-Jülich (Alemania), OneFive (Suiza).
Se reajustó el consorcio (entre otros incluyendo la PYME Española DAS Photonics de Valencia)


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última actualización: 26-03-2016 (newmaterials@uvigo.es)