Fabrication et caractérisation de source optique III-V épitaxiée sur Silicium

La demande croissante de performances en terme de transmission de données que ce soit pour des liaisons à grande distance ou des interconnexions inter puce ou intra puce est un défi majeur pour les industries de la microélectronique et des télécommunications. Basées sur les transmissions optiques dans la gamme IR, le domaine des télécoms a rejoint celui de la micro-électronique par la voie du Silicium. Ainsi, depuis une dizaine d’année, la photonique sur silicium (Silicon-Photonics) s’est imposée comme un nouveau paradigme. La nécessité d’abaisser les coûts de fabrication et ainsi d’optimiser l’intégration des fonctions optiques a poussé le développement de circuit à base de matériaux III-V partagé avec des plaquettes Silicium. Le Silicium offrira un système miniaturisé de guide optique, alimenté par des sources Lasers III-V Infra-rouge (l=1.3 µm à 1.5 µm) directement reportées.

L’approche habituellement choisie consiste en un collage moléculaire d’un composant à base de semiconducteurs III-V sur un substrat SOI-préalablement structuré afin de guider la lumière. L’onde optique circule ainsi des cavités III-V vers le circuit photonique Si. Récemment, un nouveau schéma d’intégration se développe, il s’agit d’élaborer directement les composants III-V sur les substrats de Silicium par hétéroépitaxie. Plusieurs challenges sont à résoudre afin d’obtenir une source laser III-V directement épitaxiée sur silicium, notamment réduire la densité de défauts structuraux dans les couches actives venant des différences de paramètre maille, de polarité et de coefficient d’expansion thermique entre le III-V et le silicium. STMicroelectronics associé aux laboratoires du CEA/Leti, et du LTM propose d’investiguer cette approche très innovante à fort potentiel dans le cadre d’une thèse via un financement CIFRE STMicroelectronics. La thèse proposée s’appuiera ainsi fortement sur le laboratoire du CNRS/LTM qui développe depuis 2 ans des nouveaux concepts d’épitaxie MOCVD de matériaux III-V (base AsGa) sur wafer Silicium structuré. Ce sujet d’étude permettra de mettre en place une filière d’épitaxie III-V sur Silicium, dans le but de concevoir une nouvelle génération de circuit à interconnexions optiques intégrés.

Ce travail de thèse consistera la première année à identifier les contraintes d’intégration sur silicium, développer des stratégies de croissance appliquées aux filières GaAs et InGaAs, et caractériser des propriétés optiques de ces couches (photoluminescence …). La seconde année sera focalisée sur l’intégration de ces couches III-V sur Silicium, dans une version de composants de type diodes à injection électrique. Enfin, en troisième année, les premiers lasers à pompage optique seront fabriqués et caractérisés.

Les trois entités (STMicroelectronics, CNRS/LTM, CEA/Leti) sont complémentaires. STMicroelectronics fournira les substrats Si 300 mm pré-structurés. L’épitaxie sélective et la caractérisation des propriétés structurales seront réalisées au CNRS/LTM. Le design des dispositifs, leurs caractérisations électro-optiques ainsi que les étapes technologiques pour élaboration le laser sur silicium seront traités au CEA-Leti. L’intégration de composants laser III-V directement épitaxiés sur silicium est un sujet innovant et ambitieux et le candidat pourra s’appuyer sur les expertises déjà présentes.

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