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Projet ANR « Jeune chercheur »

SINPHONIC : SIlicoN PHOtonics with diluted NItride Coherent integration

janvier 2012 – décembre 2014

SINPHONIC : SIlicoN PHOtonics with diluted NItride Coherent integration

Développement original de l’épitaxie hétérogène à base de GaP, de sources optiques III-V nano-structurées, sur silicium

Contexte

Depuis la démonstration du premier transistor [Bardeen 1948] et la première conversion photovoltaïque [Chapin 1954], le silicium a été largement étudié et utilisé au cours du XXe siècle à la fois pour la microélectronique et des applications photovoltaïques. Jusqu’à maintenant, le silicium est considéré comme le matériau de référence pour toute l’industrie photovoltaïque et celle des puces microélectroniques, avec en particulier l’utilisation de la technologie CMOS.
Dans ces composants, la réduction des dimensions et la densité sans cesse croissante d’interconnexions conduit la technologie des semiconducteurs à base de silicium face à certains problèmes encore non résolus, qu’ils soient de type fondamentaux (limitation en fréquence et en taille, problèmes de diaphonie, ...) ou liés au matériaux (électrodiffusion, formation de fissures, ...), limitant les vitesses de transfert de l’information. Une solution possible est recherchée dans l’optoélectronique, par l’usage d’interconnexions optiques au niveau de la puce.
Bien que les composants de base (guides d’ondes, les détecteurs, modulateurs) aient été démontrés au cours des dernières années, la source de lumière élémentaire, le laser en silicium, est toujours un défi. En effet, malgré les avantages d’un très faible coût, d’une technologie mature, de la capacité de contrôler la formation d’oxyde, d’une conductivité thermique élevée, le silicium a de faibles propriétés optiques, en raison de sa bande interdite indirecte. Dans le même temps, le silicium est aussi considéré comme le matériau leader dans l’industrie photovoltaïque et beaucoup d’efforts ont été fournis pour l’élaboration de cellules solaires de haute efficacité à base de silicium.
Le problème fondamental abordé ici est lié à l’inefficacité de l’émission de lumière du silicium à cause de sa bande interdite indirecte. Différentes approches ont été proposées pour améliorer cette efficacité, par exemple en exploitant le confinement quantique par l’introduction de Si-nanocristaux. Il a également été proposé d’éluder la la limitation de la bande interdite indirecte en utilisant les transitions intra-bande. Des lasers Si/Ge à cascade quantique exploitant cet effet ont montré de l’électroluminescence. Le premier laser Raman continu tout-silicium pompé optiquement a été obtenu en 2005.
L’autre approche qui a été intensivement développée au cours de ces dix dernières années se propose de tirer avantage de la bande interdite directe des matériaux III-V en utilisant le "wafer bounding" ou "chip bounding". Cette approche, développée par le CEA-Leti ou Intel laboratories est la plus avancée technologiquement, mais obtenir une haute densité d’intégration et des composants fiables avec ces solutions reste encore complexe.

Objectifs

Une approche alternative qui est suivie au laboratoire Foton à l’INSA de Rennes, est l’intégration cohérente de matériaux monolithiques à bande interdite directe sur silicium grâce à une couche tampon de GaPN (dont la maille est exactement adaptée à celle du silicium).
Dans ce contexte, la réalisation de pseudo-substrats GaPN/GaP/Si sans défaut est une étape cruciale pour la réalisation de lasers sur ​​silicium pompés électriquement.
Le projet SINPHONIC fournira des informations cruciales sur les origines des défauts à l’interface GaP/Si afin d’optimiser les conditions de croissance, en utilisant différentes techniques d’analyse (RHEED, AFM, diffusion rayons-X) sur le bâti de croissance MBE-LPCVD.
Cette configuration expérimentale MBE-LPCVD est la première tentative en Europe, ce qui rend cette expérience très innovante et ouvre la voie à la levée de verrous technologiques. Le projet SINPHONIC fournira en particulier des informations cruciales sur l’incorporation d’azote (N) près de l’interface GaP/Si dans le but d’optimiser l’injection des porteurs électriques à travers les interfaces GaPN/GaP/Si, ainsi que l’origine de la photoluminescence dans ce système. La structure bande électronique sera donc examinée avec soin en utilisant des techniques de caractérisations optiques avancées tels que la PL, la PLE et la TRPL

Production scientifique

Voir dans la collection Foton sur HAL

Partenaires

Foton (responsable Charles CORNET)

Financements
- ANR (140 k€)
- Pôle de compétitivité IR (7 k€)