Etude du confinement de porteurs dans des structures contraintes à base de Germanium pour la réalisation de lasers compatibles avec les technologies CMOS

par Mathieu Bertrand

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Vincent (phys) Calvo.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS (laboratoire) depuis le 11-10-2016 .


  • Résumé

    Aucunes sources lumineuses intégrées CMOS n'existent actuellement malgré les énormes efforts de la communauté depuis plusieurs années. Afin de contourner ces lacunes, l'industrie aujourd'hui développe des solutions de rechanges comprenant le collage de matériaux III-V. De nombreux défis existent pour réaliser l'hybridation hétérogène de lasers III-V afin de fournir des lasers pour la plateforme photonique silicium. D'autres voies à base de Germanium sont en train d'émerger suite aux premières démonstrations de l'effet laser. Ces nouvelles voies pourront mener à la création d'une plateforme photonique Germanium/Silicium compatible CMOS. L'enjeu actuel est maintenant la maitrise des qualités des matériaux, le contrôle des contraintes, l'injection et les confinements de porteurs dans les héterostructures. Dans ce cadre, une avancée technologique récente a permis de réaliser, pour la première fois, de nouveaux substrats 200 mm de Germanium sur Isolant (GeOI) pour la Photonique. Ces substrats pourraient être dédiés, dans un futur proche, à des applications dans le domaine des communications optiques sur puces, dans le domaine de la microélectronique, pour permettre de dépasser les limitations des interconnections métalliques entre, par exemple, processeurs / mémoires et dans le domaine des capteurs infrarouges. La personne sélectionnée s'associera aux permanents de l'équipe pour concevoir et caractériser des composants lasers sur GeOI et aller vers leurs intégrations dans une plateforme photonique sur Germanium/Silicium. Un des objectifs principaux sera l'obtention de matériaux à gap direct pour la réalisation de sources lumineuses efficaces. L'ingénierie des bandes électroniques permettra d'étudier les propriétés électroniques fondamentales des couches. Les fonctions fondamentales de guidage, de couplage et d'émission de lumière de Germanium sous forte contrainte seront mises en œuvre et étudiées.

  • Titre traduit

    Study of carriers confinement in strained Germanium structures for CMOS compatible laser applications


  • Résumé

    Integrated laser sources compatible with microelectronic technologies is currently one of the main challenges for silicon photonics. Currently, group III–V materials are used to implement active light sources onto Si wafers, but this type of integration brings many technological challenges. Other routes based on Germanium are emerging following the initial demonstration of lasing in Germanium. These new methods could lead to the creation of a fully CMOS-compatible Germanium / Silicon photonic platform. Challenges include mastering the material quality, controlling the material strain and efficiently injecting and confining carriers in suitable heterostructures. In this context, a recent technological breakthrough was achieved in fabricating novel 200mm Germanium on Insulator (GeOI) substrates for Photonics applications. These substrates could be used in the near future in applications in the field of optical communications chips, microelectronics and infrared sensors. The selected person will join the research team to design and to characterize components on GeOI substrates to progress towards Germanium based lasers and their integration into a photonic Germanium / Silicon platform. The key objective will be to obtain direct gap materials for the realization of efficient light sources. Electronic band engineering will allow the study of the fundamental electronic properties of epitaxially-grown layers. The research objectives will be to find efficient geometries to confine electrons and holes, to apply tensile strain to germanium crystals, to evaluate the electrical gain dependence with different strains and doping levels, to characterize the optoelectronic properties of epitaxial materials and to design and fabricate laser cavities with strong optical confinement in order to reach tunable continuous-operation germanium lasers compatible with current microelectronic technologies.