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Projet ANR-12-BS03-0002 (Programme blanc SIMI 3)

OPTOSI : intégration par épitaxie de composants OPTOélectroniques III-V sur SI

novembre 2012 – septembre 2015

OPTOSI : intégration par épitaxie de composants OPTOélectroniques III-V sur SI

Démonstration de la possibilité d’intégrer de manière monolithique des dispositifs optoélectroniques III-V sur substrat de silicium

Contexte

OPTOSI ambitionne de démontrer la possibilité d’intégrer monolithiquement des dispositifs optoélectroniques III-V sur substrat Si, avec une application prioritaire à la photonique sur silicium. Le projet est basé sur l’étude et l’évaluation de la croissance directe par épitaxie par jets moléculaires (MBE) de semiconducteurs composés III-V sur substrat Si selon deux approches complémentaires :
- une approche métamorphique basée sur les propriétés particulières de relaxation de la contrainte des semiconducteurs III-Sb fortement désaccordés. La relaxation se produit par formation d’un réseau de dislocations de désaccord confinées près de l’interface, ce qui conduit à une faible densité de défauts traversants ;
-  une approche de quasi-accord de maille basée sur les semiconducteurs à base de GaP qui peuvent être accordés en maille sur Si et permettent d’éviter le problème de la formation de défauts dûs à la relaxation des contraintes.

Ces plateformes III-V/Si seront utilisées pour épitaxier des hétérostructures lasers à base de III-Sb et de GaP(AsN) de façon à évaluer leur potentiel réel dans la perspective de la photonique sur silicium. De nouvelles nanostructures seront explorées dans les deux familles de matériaux afin d’entrer notablement dans la gamme spectrale 1.2 - 1.5 µm intéressante pour les interconnexions optiques, les III-Sb et GaP(As,N) approchant par les grandes et courtes longueurs d’onde, respectivement.

OPTOSI rassemble 4 partenaires académiques (IES, Foton, LPN, LPCNO) qui présentent des expertises scientifiques complémentaires couvrant les domaines de sciences des matériaux, physique du composant et technologie du composant. Un partenaire industriel (III-V lab) complète le consortium afin de juger de la pertinence des résultats en terme de perspective industrielle.

En cas de succès le projet ouvrira de nouvelles voies pour l’intégration des composants III-V sur Si et il aura un impact bien au-delà de la photonique Si. Il pemettra d’envisager l’intégration de toute type de composant III-V sur Si, tel que les transistors MOS III-V de la roadmap ITRS ou les cellules solaires à fort rendement. L’importance de ce secteur est illustré par le fait que la conférence professionnelle Compound Semiconductor week qui vise à « définir le futur de l’industrie des semiconducteurs composés » sera consacré cette année à l’intégration des III-V sur Si.

Objectifs

OPTOSI démontrera la faisabilité d’une technologie de rupture pour l’intégration de fonctionnalités optiques sur puces dans le domaine des interconnections optiques. Les objectifs principaux du projet sont :
- L’élaboration de plates-formes III-V/Si par épitaxie, au travers de deux approches : la croissance métamorphique (LMM, en fort désaccord de paramètre cristallin) de matériaux III-Sb et la croissance cohérente de matériaux GaP(N) (LM, en, accord de paramètre cristallin).
- Le développement de nanostructures à base de matériaux GaSb et GaP pour l’élaboration d’hétérostructures lasers émettant dans la gamme de longueurs d’inde couvrant 1.1 – 1.5 µm, gamme dans laquelle le Si est transparent et les détecteur à base de Ge sont les plus efficaces.
- La démonstration de lasers III-V élaborés directement sur wafer de Si.

Production scientifique

Voir dans la collection Foton sur HAL

Partenaires

III-V labIESLPNLPCNO
(groupe(s) Foton impliqué(s) : OHM)

Coordinateur

IES (Eric TOURNIE)
(responsable Foton : Olivier DURAND)

Financements

ANR : 708 k€ (dont 221 k€ pour Foton-OHM)

Voir en ligne :