Composants à puits quantiques Ge/SiGe pour la modulation, la détection et l’émission de lumière

Ge/SiGe quantum well devices for light modulation, detection, and emission

• Auteur / Autrice : Papichaya Chaisakul
• Direction : Laurent Vivien, Delphine Marris-Morini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Greffet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vivien, Delphine Marris-Morini, Jean-Jacques Greffet, Isabelle Sagnes, Dries Van Thourhout, Bert Jan Offrein, Frédéric Boeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Sagnes, Dries Van Thourhout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Optoélectronique

Stark, Effet

Mots clés libres

Composants à puits quantiques Ge/SiGe

L’Effet Stark Confiné Quantiquement

Electro-absoption

Optoélectronique

Les liens optiques

Photonique silicium

Hyperfréquence

Optique intégrée

Electroluminescence

Diodes pin à illumination

Photodiodes

Ge/SiGe multiple quantum wells

Quantum confined Stark effect

Electro-absorption

Optoelectronics

Optical interconnects

Silicon photonics

High frequancy

Integrated Optics

Electroluminescence

Light emitting diode

Photodiode

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude des propriétés optiques et optoélectroniques autour de la bande interdite directe des structures à puits quantiques Ge/SiGe pour la modulation, la photodétection et l’émission de lumière sur la plateforme silicium. Les principaux composants réalisés sont : un modulateur optique en guide d’onde, rapide et à faible puissance électrique, basé sur l’Effet Stark Confiné Quantiquement, les premières photodiodes Ge/SiGe dont le comportement fréquentiel est compatible avec les transmissions de données à 40 Gbit/s, et la première diode à électroluminescence à puits quantiques Ge/SiGe, base sur la transition directe de ces structures et fonctionnant à température ambiante. Les caractérisations statiques et fréquentielles ont été réalisées sur l’ensemble des composants, qui ont tous été fabriqués avec la même structure épitaxiée et les mêmes procédés de fabrication. Des modèles théoriques simples ont ensuite été utilisés pour décrire analyser les comportements observés. Finalement les études menées permettent de conclure que les structures à puits quantiques Ge/SiGe sont un candidat de choix pour la réalisation d’une nouvelle plateforme photonique à haut débit, totalement compatible avec les technologies silicium.

This PhD thesis is devoted to study electro-optic properties of Gemanium/Silicon-Germanium (Ge/SiGe) multiple quantum wells (MQWs) for light modulation, detection, and emission on Si platform. It reports the first development of high speed, low energy Ge/SiGe electro-absorption modulator in a waveguide configuration based on the quantum-confined Stark effect (QCSE), demonstrates the first Ge/SiGe photodiode with high speed performance compatible with 40 Gb/s data transmission, and realizes the first Ge/SiGe light emitting diode based on Ge direct gap transition at room temperature. Extensive DC and RF measurements were performed on each tested prototype, which was realized using the same epitaxial growth and fabrication process. Simple theoretical models were employed to describe experimental properties of the Ge/SiGe MQWs. The studies show that Ge/SiGe MQWs could potentially be employed as a new photonics platform for the development of a high speed optical link fully compatible with silicon technology.