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Croissance sélective des dispositifs photoniques à l’infrarouge de GeSn

Interactions rayonnement-matière Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences Physique du solide, surfaces et interfaces

Résumé du sujet

Contexte. La capacité d'intégrer des dispositifs optoélectroniques actifs et passifs sur une plaquette de Si est un paradigme essentiel dans la quête du développement de technologies de communication de données, d'imagerie et de détection quantique à faible coût et économes en énergie. À cette fin, une plate-forme de semi-conducteurs monolithiques tout groupe IV est à portée de main utilisant des semi-conducteurs GeSn à bande interdite directe. Au cours de la dernière décennie, d'énormes progrès ont été réalisés dans la croissance épitaxiale de GeSn, où un matériau à bande interdite directe (c'est-à-dire un rendement élevé pour l'émission optique) est obtenu à des teneurs en Sn> 9 at.%. Des prototypes de photodétecteurs, de lasers et de LED GeSn ont été fabriqués à partir des longueurs d'onde infrarouges à ondes courtes (SWIR : 1,5-3 µm) jusqu'à ondes moyennes (MWIR : 3-8 µm). Le principal goulot d’étranglement de la technologie GeSn réside cependant dans le grand nombre de défauts structurels qui réduisent considérablement l’efficacité des dispositifs photoniques fabriqués à partir de GeSn. Cela empêche une adoption à grande échelle de la photonique GeSn au profit des technologies de semi-conducteurs III-V et II-VI conventionnelles mais coûteuses.
Projet. La croissance de GeSn est généralement réalisée sur Si en utilisant Ge comme couche intermédiaire dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), donc avec un processus de fabrication compatible industriel. Cependant, la disparité de réseau entre GeSn et le substrat Ge/Si conduit à une déformation en compression dans GeSn et une relaxation par déformation plastique entraîne des défauts structurels. Les défauts sont une source de recombinaison non radiative et contribuent largement au courant d’obscurité des dispositifs photoniques GeSn, réduisant ainsi fortement l’efficacité. Cette thèse surmontera ces défis et développera la croissance sélective (SAG) de diodes GeSn p-i-n sans défauts à partir d'ouvertures de taille nanométrique qui sont structurées dans une couche de masque d'oxyde sur Si. Le SAG s'est avéré être une approche très précieuse pour l'intégration de semi-conducteurs III-V sans défauts sur Si, avec des résultats similaires qui sont actuellement explorés dans Ge. La croissance de GeSn sera sélectivement confinée dans de très petites régions de la plaquette d'oxyde/Si à motifs. Dans SAG, la réduction des dimensions latérales des fenêtres d'oxyde à motifs diminuera fortement la densité de défauts dans la couche de GeSn cultivée par épitaxie grâce au filtrage des dislocations. La qualité cristalline inégalée du SAG GeSn augmentera l’efficacité des dispositifs optoélectroniques infrarouges et établira ainsi une plate-forme photonique infrarouge monolithique robuste et évolutive utilisant des matériaux semi-conducteurs du groupe IV. Des dispositifs photodétecteurs constitués de diodes SAG GeSn p-i-n seront fabriqués en tant que système modèle pour démontrer l'efficacité du SAG par rapport à la technologie GeSn existante basée sur des échantillons GeSn sans motif.

Laboratoire

Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
DEPHY
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