These-FOTON INSA Rennes

Olivier

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D UMR CNRS FOTON 6082, composante FOTON-INSA 20, avenue des Buttes de Coësmes, 35043 RENNES Cedex (http://foton.insa-rennes.fr/) Contacts: C. Cornet Email : , Tel : [phone] O. Durand Email : , Tel : [phone] Photonique sur Silicium à Base de Nanostructures III-V épitaxiées sur Silicium La « photonique sur Si » est une technologie de rupture qui ajoutera de nouvelles fonctionnalités sur des puces de Si : la possibilité d’envoyer, recevoir et manipuler des signaux lumineux. L’objectif de ce travail vise la réalisation de sources optiques (LEDs, lasers) émettant à 300K, à base de semiconducteurs III-V (puits quantiques ou boites quantiques) épitaxiés sur substrat de silicium. Ces sources serviront dans les interconnexions optiques à très haut débit intra et inter-puces pour la très haute intégration (VLSI) sur Si. Elles représentent un objectif et un défi majeurs pour la compétition internationale conduisant à la convergence entre les progrès de la photonique III-V et les avancées de la VLSI. La croissance de matériaux III-V de bonne qualité structurale sur substrat de Si est un objectif poursuivi de longue date par tous les laboratoires internationaux travaillant dans les domaines de l’optoélectronique et la microélectronique et des résultats de structures épitaxiales de qualité satisfaisante 1 2n’ont été publiés que très récemment. . La difficulté principale réside ...

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UMR CNRS FOTON 6082, composante FOTON-INSA

20, avenue des Buttes de Coësmes, 35043 RENNES Cedex

(http://foton.insa-rennes.fr/)

Contacts:

C. Cornet

Email : <[e-mail]>, Tel : [phone]

O. Durand

Email : <[e-mail]>, Tel : [phone]

Photonique sur Silicium à Base de Nanostructures III-V épitaxiées sur Silicium

La « photonique sur Si » est une technologie de rupture qui ajoutera de nouvelles fonctionnalités

sur des puces de Si : la possibilité d’envoyer, recevoir et manipuler des signaux lumineux. L’objectif de ce

travail vise la réalisation de sources optiques (LEDs, lasers) émettant à 300K, à base de semiconducteurs

III-V (puits quantiques ou boites quantiques) épitaxiés sur substrat de silicium. Ces sources serviront dans

les interconnexions optiques à très haut débit intra et inter-puces pour la très haute intégration (VLSI) sur

Si. Elles représentent un objectif et un défi majeurs pour la compétition internationale conduisant à la

convergence entre les progrès de la photonique III-V et les avancées de la VLSI.

La croissance de matériaux III-V de bonne qualité structurale sur substrat de Si est un objectif

poursuivi de longue date par tous les laboratoires internationaux travaillant dans les domaines de

l’optoélectronique et la microélectronique et des résultats de structures épitaxiales de qualité satisfaisante

n’ont été publiés que très récemment.

1

2

. La difficulté principale réside dans l’élimination des défauts

structuraux provoquées par le désaccord des paramètres de maille entre les composés III-V et le Si, et

l’apparition de domaine d’antiphases inhérente à la croissance d’un matériau polaire sur du Si),

rédhibitoires pour les propriétés optiques.

3

Les solutions proposées consistent à épitaxier du GaP, matériau

binaire dont le paramètre de maille est très proche de celui du Si (

∆

a/a = 0.4%), puis épitaxier des

matériaux ternaires de gap direct de type GaPN, ou GaAsP sur le GaP. La solution pour éliminer les parois

d’antiphases étant d’utiliser des substrats désorientés de 4 degrés et de regrouper les marches de hauteur a/4

pour obtenir des marches de hauteur a/2, par recuit.

Le projet s’appuie sur un nouveau système constitué d’un bâti de LPCVD (croissance du Silicium)

relié sous vide à un bâti de MBE (croissance de matériaux III-V). Les croissances envisagées comporteront

une première étape de croissance d’une couche tampon de silicium,

4

une deuxième étape de croissance de

GaP couche par couche, pour éviter les fautes d’empilement et micro-macles et enfin une dernière étape de

croissance conventionnelle de GaP dont le but est d’annihiler les APD.

5

Le bon déroulement de la

croissance sera également contrôlé in situ par RHEED. Pour finir, la croissance de zones actives sera

proposée sur ces pseudo-substrats de GaP/Si. L’influence des défauts d’anti-phase sur l’efficacité de ces

zones actives sera étudiée par des calculs atomistiques ab initio. L’optimisation de la croissance sera

facilitée par des retours constants des caractérisations ex situ AFM, EPD, SEM,

TEM et diffraction des

rayons X. Des premiers résultats d’épitaxie de GaP sur Si et de GaPN sur GaP ont été obtenus dans le

laboratoire FOTON-INSA dans le cadre d’une thèse en cours. D’autre part, de résultats préliminaires de

diodes GaP/GaAsP ont permis de démontrer une électroluminescence à température ambiante.

Le candidat devra avoir une bonne connaissance de la physique des semiconducteurs (III-V et Si),

un gout pour la physique expérimentale, notamment le travail en salle blanche. La thèse sera financée à

hauteur de trois ans. Dans un premier temps, le candidat doctorant devra coordonner et mener une grande

partie des activités de préparation des échantillons, de croissance et de caractérisation afin de réaliser des

couches GaP(N)/Si de très grandes qualités structurales et optiques. Ceci se fera en lien avec les

simulations et les caractérisations des propriétés optiques réalisées. Puis, le travail des poursuivra par

l’élaboration de structures LEDs puis lasers.

1

Y. Furukawa et al., J. Crystal Growth

300

, 172 (2007).

2

I. Nemeth, B. Kunert, W. Stolz, K. Volz, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 1595–1601

3

Y. Takagi et al., J. Cryst. Growth 187, 42 (1998)

4

T. J. Grassman et al., Appl. Phys. Lett. 94, 232106 (2009)

5

I. Németh et al., J. Cryst. Growth 310, 1595 (2008)