Richard Arès, ing. jr

Richard Arès

ing. jr, Ph. D., Phys.
Professeur titulaire

Coordonnées

Diplômes

  • B. Sc. Physique, Université de Montréal (Canada), 1990
  • M. Sc. Physique, Université de Montréal (Canada), 1993
  • Ph. D. Physics, Simon Fraser University (Canada), 1998

Recherches actuelles

Développement de nouvelles structures de matériaux semi-conducteurs pour la fabrication de dispositifs électroniques et photoniques

La technologie à base de matériaux semi-conducteurs a révolutionné le mode de vie moderne par le développement de dispositifs comme les ordinateurs, les lasers et les téléphones cellulaires, pour n'en nommer que quelques-uns. Or, depuis quelques années, de nouvelles applications connaissent un essor spectaculaire grâce aux propriétés uniques des semi-conducteurs.

Les travaux du Laboratoire d'Épitaxie Avancée (LÉA) se concentrent sur quelques-uns des domaines de pointe en effervescence, soit l'énergie solaire, l'éclairage à base de DEL, l'optique non linéaire et l'électronique de haute performance. Le LÉA est impliqué dans plusieurs projets d'envergure pour la fabrication de cellules photovoltaïques à triple jonction, et de dispositifs photoniques.

Le rôle du groupe de recherche est de développer de nouveaux procédés de croissance épitaxiale pour produire les structures nécessaires à ces nouvelles applications. Le LÉA aborde les défis de recherche selon plusieurs axes distincts : en améliorant la technologie des outils de croissance, en produisant de nouveaux matériaux aux performances exceptionnelles, et en développant de nouvelles techniques de croissance permettant la fabrication de structures aux propriétés inaccessibles jusqu'à présent.

Nanocomposites graphénisés à base de semi-conducteurs poreux

Un vaste programme de recherche sur un nouveau type de matériau qui combine les semi-conducteurs nanoporeux et le graphène a récemment été lancé. Le silicium poreux est un matériau aux propriétés intéressantes qui est employé dans une vaste gamme d’application. Plusieurs de ses propriétés proviennent du fait que la surface spécifique du silicium est grandement augmentée lorsqu’il est dans sa forme poreuse. Le matériau est en quelque sorte une immense surface contenue dans un volume donné. Le graphène, est constitué d’un plan atomique unique d’atomes de carbone, dont la structure cristalline en 2D lui confère des propriétés hors normes. 

Le nanocomposite graphénisé est obtenu en déposant du graphène sur la gigantesque surface spécifique du semi-conducteur.  Le nanocomposite ainsi obtenu, possède des propriétés qui pourraient révolutionner le domaine des matériaux.   

Conception d’un système optimisé de croissance épitaxiale

Les travaux portent sur la simulation et la recherche des paramètres optimaux pour la dynamique des gaz dans un système de croissance épitaxiale utilisé dans la fabrication de nanostructures à base de semi-conducteurs de la famille III-V. L’étude portera plus particulièrement sur quatre composantes fondamentales du système : la dynamique moléculaire dans la chambre de croissance, la gestion et l’injection des gaz ainsi que le système de contrôle du procédé.

L’objectif final est d’utiliser les connaissances acquises par simulations afin d’obtenir les paramètres optimaux d’un système et d’en faire la fabrication. Un tel système sera le premier de l’industrie à être entièrement conçu à l’aide de modèles théoriques optimisés.

Croissance sélective sur substrat non standard

Le projet consiste à étudier le comportement de la croissance épitaxiale sur une surface non uniforme. L’ajout de masques d’oxydes pouvant perturber les processus de croissance, une étude microscopique détaillée permet de déterminer les effets et les moyens de compenser en modifiant les conditions de croissance.

L’objectif est d’acquérir une connaissance fondamentale du processus de croissance et d’optimiser les conditions de façon à produire des couches pour des systèmes photoniques et électroniques hybrides ayant des applications biomédicales, microfluidiques et en télécommunications.

Cellules solaires à forte efficacité

Les cellules photovoltaïques existent sous une multitude de formes de nos jours. Les plus efficaces sur le marché sont faites de semi-conducteurs comme le GaAs et le germanium. Les excellentes performances de ces cellules (conversion > 40 %) sont dues à leur capacité de convertir indépendamment différentes section du spectre solaire. Nos travaux tentent de développer de nouveaux arrangements de semi-conducteurs afin de pousser encore plus loin l'efficacité de conversion de ces cellules ou de leur permettre d'opérer efficacement dans des conditions particulières, comme les hautes températures, ou dans des systèmes hybrides thermiques / photovoltaïques.

Notre équipe vise à développer la technologie de fabrication de cellules solaires qui permettront d'obtenir des efficacités de conversion au delà de 50 % et ainsi permettre à la technologie de la photovoltaïque concentrée de surpasser tous ses compétiteurs pour la production de masse d'électricité. Pour ce faire, nous développons un savoir-faire unique dans la genèse des matériaux, la modélisation physique des cellules, la gestion de la chaleur et la simulation optique des concentrateurs.

·      Cellule solaire à quatre jonctions : Développer la technologie de fabrication d'une cellule solaire à quatre jonctions pouvant atteindre une efficacité de conversion de 45 %. La jonction supplémentaire de ce type de cellule sera fabriquée à partir d'une nouvelle gamme d'alliages semi-conducteurs, constitués d'un mélange de semi-conducteurs de la famille des III-V et d'atomes d'azote.

·      Modèle multiphysique de module solaire concentré : Développer un modèle numérique performant, combinant les aspects optiques, électroniques et thermiques d'une assemblage de cellule solaire à forte concentration lumineuse.

Épitaxie par faisceaux chimiques

Avec la déflation spectaculaire du marché des télécommunications au cours des dernières années, les exigences en termes de performances et de coût se sont transformées radicalement. De plus, l’apparition de nouveaux producteurs de composantes sur l’échiquier mondial, comme la Chine, impose une forte pression à la baisse sur les prix. Contrairement à la micro-électronique où des millions de composantes sont entassées sur une minuscule région de semi-conducteur, la technologie des composantes photoniques reste une technologie discrète où chaque dispositif est fabriqué séparément et assemblé ensuite sous forme de module. Les coûts d’assemblage constituent une part importante du prix final de chaque composante. De nouvelles technologies impliquant des dispositifs mécaniques sont aussi apparues. L’approche la plus prometteuse préconise l’intégration de multiples fonctionnalités sur une même surface. Cette nouvelle réalité pose de nouveaux défis pour la fabrication des structures semi-conductrices. Différentes structures doivent pouvoir être fabriquées côte à côte sur une même surface. La seule technique de croissance qui permet une telle approche est l’épitaxie par faisceaux chimiques, qui fut développée dans les années 90. Les outils de croissance, par contre, continuent d’être de simples adaptations d’outils standards. Les géométries de chambre de croissance n’ont jamais été optimisées par des modèles physico-chimiques. De plus, l’apparition récente d’une gamme de techniques de mesures in situ offre aussi l’opportunité de raffiner la technique en introduisant des sources d’information.

Le programme de recherche vise à concevoir un outil de croissance épitaxiale de la technique d’épitaxie par faisceaux chimiques. Une approche fondamentale de l’étude des phénomènes physiques en jeu dans l’enceinte de croissance, tels que l’écoulement des gaz, la gestion du vide et les aspects thermiques, permettra de concevoir un outil de croissance optimisé pour la croissance. Une attention particulière sera portée à l’accès pour des mesures in situ en temps réel.

·         Modélisation de l’écoulement des gaz au travers d’un injecteur profilé : Utilisation d’une approche géométrique ou statistique (Monte Carlo) afin de déterminer les caractéristiques d’écoulement des gaz dans un milieu à vide poussé. Conception d’un algorithme d’optimisation de la géométrie du couple injecteur-échantillon.

·         Conception d’un banc d’essai pour un injecteur : Montage d’une chambre à vide permettant de mesurer la distribution spatiale du flux gazeux provenant de différents prototypes d’injecteurs. Programmation d’une interface graphique conviviale pour la visualisation des données. 

·         Conception d’un injecteur optimisé pour un outil de croissance : Utilisation des résultats obtenus par simulation pour concevoir un injecteur pouvant être utilisé dans un outil de croissance réel. Utilisation de la méthode des éléments finis afin de déterminer les propriétés thermiques et d’optimiser le design.

·         Conception d’une chambre de croissance par faisceaux chimiques : Détermination de la géométrie globale de la chambre afin d’utiliser les injecteurs optimisés et de permettre une gamme de mesures in situ de la surface de l’échantillon. Concevoir une approche originale pour la manipulation et le chauffage des échantillons. Optimisation de la gestion externe des gaz de réactions. Contrôle du procédé avec une interface intelligente.

Matériaux semi-conducteurs pour l'électronique de puissance

De plus en plus de technologies aujourd'hui demandent de gérer de fortes puissances électriques dans des espaces restreints ou avec des restrictions sur le poids. De plus, les dispositifs électroniques responsables de cette gestion doivent être de plus en plus efficaces afin de minimiser les pertes énergétiques. Une nouvelle famille de matériaux semi-conducteurs développée au cours des dernières années possède tous les atouts pour offrir des solutions intéressantes à ce problème. Le nitrure de gallium (GaN), et ses alliages connexes, est un matériau performant en théorie, mais son traitement et sa genèse sont difficiles et coûteux. Les structures de GaN utilisées dans les nouveaux dispositifs sont actuellement fabriquées par une technique appelée épitaxie, par laquelle le matériaux cristallin est assemblé sur une surface avec un contrôle extrême, de façon à obtenir un cristal de qualité quasi parfaite.

L'épitaxie demeure à ce jour une technique coûteuse et complexe, ce qui ralentit la pénétration de certains produits dans les marchés. Il y a actuellement une pression extrême du marché pour diminuer les coûts de production par épitaxie. Or, un des vecteurs de dépenses principaux de l'épitaxie vient de sa grande consommation de produits chimiques dangereux et coûteux. De plus, le procédé d'épitaxie n'utilise qu'environ 5 % de ses produits pour la genèse du matériau, le reste devant être évacué et traité en aval du procédé. L'industrie espère toujours le développement de nouvelles techniques d'épitaxie pouvant produire la même qualité de matériau, tout en consommant moins de produits chimiques.

Notre groupe de recherche a entrepris un ambitieux programme de recherche afin de poursuivre le développement de la technique d'épitaxie consommant le moins de produits chimiques : l'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE). On vise à démontrer son potentiel comme technique de production de masse à moindre coût. Nos activités couvrent plusieurs aspects de la technologie, comme les méthodes d'injection gazeuse, l'écoulement des molécules dans l'ultravide, la conception d'outils de CBE, la genèse de matériaux GaN et la fabrication de dispositifs électroniques de puissance.

·         Modélisation des écoulements gazeux dans l'ultravide : Modification d'un modèle numérique développé à Sherbrooke pour étendre son application au régime de transition entre le flux visqueux et le flux moléculaire.

·         Conception de buses d'injection : À l'aide d'un modèle numérique, faire la conception d'injecteurs de gaz avec des profils d'injection prescrits par différentes applications.

Projets de recherche offerts

Pour obtenir la liste des projets proposés aux études supérieures par les professeurs du département, consultez la page Projets de recherche offerts.

Aperçu des publications

  • B. Paquette, A. Boucherif, V. Aimez et R. Arès, "Novel multijunction solar cell design for low cost, high concentration systems", Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 24, no. 2, pp. 150-158, 2016.
  • A. R. Boucherif, M. Rondeau, H. Pelletier, P.-O. Provost, A. Boucherif, C. Dubuc, H. Maher et R. Arès, "Focused gas beam injection for efficient ammonia-molecular beam epitaxial growth of III-nitride semiconductors", Journal of Vacuum Science & Technology B, vol. 34, no. 2, p. 002L116, 
  • J. Zribi, D. Morris, B. Ilahi, A. Aldhubaib, V. Aimez et R. Arès, "In-situ height engineering of InGaAs/GaAs quantum dots by chemical beam epitaxy", Journal of Nanophotonics, vol. 10, no. 3, pp. 033502-033502, 2016.