Croissance auto-catalysée de nanofils d'InP sur silicium par épitaxie par jets moléculaires en mode vapeur-liquide-solide : application aux interconnexions optiques sur puce

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Barakat
• Direction : Michel Gendry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 22/10/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Baron, Jésus Zúñiga-Pérez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Plissard, Vincent Sallet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Nanofils

Mots clés libres

Photonique sur silicium

NFs InP

Si photonic

NFs InP

Résumé

L’intégration monolithique de matériaux semi-conducteurs III-V sur substrat de Silicium est essentielle pour le développement de la photonique sur Silicium. L’objectif est de réaliser une micro-source optique à base d’un réseau ordonné de Nanofils (NFs) III-V (InAsP/InP) placés sur un guide d’onde Si. De par leur aptitude à relaxer les contraintes, les NFs sont d’un grand intérêt. C’est dans ce contexte que s’est déroulée cette thèse axée sur la croissance autocatalysée de NFs InP sur Silicium par épitaxie directe. Nous avons ainsi montré que la croissance auto-catalysée de NFs InP denses et verticaux dépend directement de la nature de l’oxyde de surface du substrat Si. Une distribution monomodale ou bimodale de NFs ont été achevées en fonction des conditions de formation des gouttelettes d’indium ou des paramètres de croissance. Une pression critique et une température critique ont permis de délimiter des domaines favorables à la croissance. Les propriétés optiques intrinsèques des NFs ont été déterminées suffisantes pour l’objectif visé. Enfin, des résultats sur la simulation optique et la polarisation de la lumière émise dans les NFs et le guide d’onde ont permis d’établir un cahier des charges pour la croissance des NFs verticaux sur SOI pour que le couplage/partage de leurs modes optiques soit le plus efficace possible aux longueurs d’onde télécom.

Monolithic integration of III-V semiconductors materials on Si substrate is essential for the Si photonic development. We aim at achieving an optical microsource based on a regular array of III-V (InAsP/InP) nanowires (NWs) standing on top a Si waveguide. Due to their ability to be fully relaxed, nanowires growth is of deep interest. This PhD thesis has been oriented towards such context especially among self-catalyzed InP NWs growth by epitaxy. Thus we have shown that highly dense and vertical self-catalyzed InP NWs accomplishment is related to Si substrate surface oxide. A monomodal or bimodal NWs distribution have been reached through a control of indium droplets formation or growth parameters. A critical pressure and a critical temperature have been found to delimit favorable growth regime. Intrinsic optical properties have been determined to be goal sufficient. Optical simulation modeling and characterization of the polarization light state in NWs and in the Si waveguide have led us to establish functional specifications to grow vertical NWs on SOI as way that their optical modes could be coupled efficiently at telecommunications wavelength.