Ingénierie de contrainte dans des cavités germanium : vers une application de laser intégré sur silicium / Abdelhamid Ghrib ; sous la direction de Moustafa El Kurdi

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Germanium

Photonique

Photoluminescence

Semiconducteurs -- Dopage

El Kurdi, Moustafa (1977-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Sagnes, Isabelle (Président du jury de soutenance / praeses)

Tchelnokov, Alexei (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Roca i Cabarrocas, Pere (1959-.... ; chercheur en énergétique) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Boucaud, Philippe (19..-.... ; chercheur en électronique) (Membre du jury / opponent)

Baudot, Charles (Membre du jury / opponent)

Université Paris-Sud (1970-2019) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : Le germanium dopé n et contraint en tension est un candidat potentiel pour démontrer un laser sur silicium compatible avec un environnement CMOS. Dans ce travail de thèse, j’ai d’abord développé un formalisme qui permet de calculer le gain optique en fonction de la déformation en tension, du dopage n et de l’injection des porteurs. Une technique de transfert de déformation via le dépôt de couche contrainte de SiN a été optimisée. J’ai réalisé plusieurs types de cavités germanium contraintes sous forme de guides d’onde et de microdisques. Le transfert de déformation a été optimisé par sous-gravure et par une méthode de bi-encapsulation qui a permis d’aboutir à une déformation biaxiale homogène et élevée de l’ordre de 1.5%. L’évaluation des déformations a été confrontée à des simulations par éléments finis, photoluminescence et spectroscopie Raman. L’étude expérimentale et théorique des guides d’onde a montré l’avantage de la direction <100> par rapport à la direction <110> permettant une injection plus efficace de porteurs en centre de zone. L’étude expérimentale des microdisques a permis d’observer des modes de galerie avec un facteur de qualité Q = 1540 à λ = 1940 nm. D’autre part, j’ai mis en évidence par photoluminescence la présence d’un fort dopage de 4×10¹⁹ cm⁻³ dans des couches germanium sur silicium épitaxiées par épitaxie par jets moléculaires utilisant une technique de co-dopage. Une modélisation du gain modal a permis de mettre en exergue l’effet du gradient de déformation dans le volume de la cavité. L’élargissement homogène a été introduit dans la modélisation du gain optique afin de prendre en compte l’impact d’un dopage élevé.

Résumé / Abstract : Tensile strained and n-doped germanium is a potential candidate to demonstrate a laser on silicon in a CMOS-compatible environment. In this thesis, I developed a formalism to calculate the optical gain as a function of tensile strain, n-doping and carrier injection. A tensile strain transfer technique via strained SiN layer deposition has been optimized. I realized several types of strained germanium cavities. Tensile strain transfer was optimized by under-etching and a bi-encapsulation technique which allowed to achieve a high and uniform biaxial strain up to 1.5%. The evaluation of strain level was faced with finite elements modeling, photoluminescence and Raman spectroscopy. The experimental and theoretical study of the waveguides showed the advantage of the <100> direction as compared with the <110> direction for more efficient carrier injection at zone center. The experimental study of microdisks allowed us to observe gallery modes with quality factor up to Q = 1540 at λ= 1940 nm. On the other hand, photoluminescence enhancement has shown the presence of a heavy doping of 4×10¹⁹ cm⁻³ in germanium on silicon layers grown by molecular beam epitaxy and using a co-doping technique. Modeling the modal gain helped to emphasize the effect of the strain gradient in the cavity volume. The homogeneous broadening was introduced in the optical gain modeling to take into account the impact of a high doping.