Nitrures d’éléments III sur silicium : une plateforme de photonique intégrée de l’ultraviolet jusqu’au proche infrarouge

III-nitrides on silicon : a platform for integrated photonics from the ultraviolet to the near-infrared

• Auteur / Autrice : Farsane Tabataba-Vakili
• Direction : Philippe Boucaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Maria Tchernycheva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Grandjean, Alfredo de Rossi, Yannick Dumeige, Michael Kneissl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Grandjean, Alfredo de Rossi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Lasers

Optoélectronique

Optique intégrée

Microcavités

Nanophotonique

Mots clés libres

Microlaser

Microcavité

Photonique intégrée

Circuit photonique

Nitrures d’éléments III

Microlaser

Microcavity

Integrated photonics

Photonic circuits

III-Nitrides

Résumé

Les semi-conducteurs nitrures d’éléments III (AlN, GaN, InN et leurs alliages) sont devenus très importants dans notre vie quotidienne, car ils sont utilisés dans les diodes électroluminescentes blanches, bleues, vertes, et ultraviolettes, ainsi que pour des diodes lasers et l’électronique de puissance et hyperfréquence. Les matériaux nitrures sont fortement polyvalents grâce à leur grande bande interdite directe et accordable de l’ultraviolet jusqu’au visible. Ils donnent accès à une très large gamme d’applications électroniques, optoélectroniques, et photoniques. En photonique, un domaine très prometteur s’appuie sur la plateforme des nitrures d’éléments III sur silicium pour la prochaine génération de circuits photoniques intégrés grâce à sa grande fenêtre de transparence de l’ultraviolet jusqu’au proche infrarouge et la possibilité d’intégration monolithique d’émetteurs actifs comme des puits et boîtes quantiques. Dans cette thèse, nous étudions différents dispositifs photoniques à base de nitrures et leur intégration dans des circuits photoniques actifs et passifs à des longueurs d’onde allant de l’ultraviolet jusqu’au proche infrarouge. Nous démontrons des seuils lasers bas en pompage optique pulsé et les premiers circuits photoniques actifs à microlaser dans les gammes spectrales bleue et ultraviolette. Nous proposons également une approche pour l’injection électrique dans des micro-anneaux qui est compatible avec des circuits photoniques et nous étudions des nitrures d’éléments III collés sur SiO₂ comme plateforme pour des circuits photoniques passifs dans le proche infrarouge.

III-nitride semiconductors (AlN, GaN, InN and their alloys) have become an integral part of our daily lives as they are used in white, blue, green, and ultraviolet light emitting diodes, as well as laser diodes and power and high frequency electronics. This material is highly versatile due to its tuneable large direct band gap from the ultraviolet to the visible. III-nitrides give access to a very wide range of electronic, optoelectronic, and photonic applications. In photonics, a promising field relies on the III-nitride on silicon platform for next generation photonic integrated circuits due to its large transparency window from the ultraviolet to the near-infrared and the possibility of monolithic integration of active emitters such as quantum wells and quantum dots. In this thesis, we study different photonic devices and their integration into active and passive photonic circuits at wavelengths going from the ultraviolet to the near-infrared. We demonstrate low threshold pulsed optically pumped lasing and the first active microlaser photonic circuits in the blue and ultraviolet spectral ranges. We also propose a scheme for electrical injection in microrings that is compatible with photonic circuits and investigate III-nitrides bonded on SiO₂ as a platform for passive photonic circuits in the near-infrared.