Conception et fabrication de composants à base d’alliage de GeSn pour la détection de gaz

Publié le : 14 mars 2021

L’un des principaux défis actuels de la photonique sur silicium est d’obtenir un laser intégré technologiquement compatible avec les fonderies de la microélectronique. Les lasers à semi-conducteurs traditionnels utilisent des semi-conducteurs III-V qui ne sont pas acceptés dans les fonderies de silicium, contrairement aux semi-conducteurs du groupe IV. Le CEA Grenoble fait partie des rares laboratoires à avoir déjà fait la démonstration du laser à pompage optique dans l’infrarouge moyen dans les semi-conducteurs du groupe IV, à la fois en Ge et GeSn. Avec des hétérostructures en GeSn relaxé ou sous contraintes en tension et des puits quantiques en alliages silicium-germanium-étain (Si) GeSn, nous ciblons aujourd’hui le laser continu à température ambiante et la réalisation de s photodétecteurs moyen infrarouge en 200 mm. Pour atteindre l’effet laser à température ambiante, il faut améliorer le gain optique et optimiser le confinement des porteurs. Les améliorations nécessiteront de nouvelles configurations de puits quantiques et de hétérojonctions en germanium étain, en jouant sur les compositions atomiques et la déformation mécanique à l’échelle microscopique. Comme pour les lasers que nous avons déjà obtenus, les nouvelles couches de GeSn (Si) seront épitaxiées en 200 mm au CEA Leti, puis traitées par le candidat au doctorat dans des salles blanches de plus petite échelle. Les développements réalisés pour les sources lasers seront utilisés pour la réalisation des photodétecteurs.

La thèse se déroulera au sein du Département Optique et Photonique dans le Laboratoire de Capteur Optique, qui est un leader mondial dans le développement et la fabrication de composants photoniques Silicium (ou CMOS) pour la détection de gaz dans l’infra-rouge.

Les objectifs de la recherche consisteront :

(i) A réduire le nombre de défauts cristallins dans les régions de gain GeSn,

(ii) à concevoir des empilements de GeSn (Si) efficaces qui confinent à la fois les électrons et les trous, tout en offrant un fort gain optique

(iii) à appliquer et contrôler la contrainte en tension dans les couches d’étain au germanium

(iv) à évaluer le gain optique sous pompage optique et injection électrique, à différentes contraintes et niveaux de dopage

(v) à concevoir et fabriquer des cavités laser à fort confinement optique

(vi) à obtenir des lasers du groupe IV à base de germanium qui soient accordables et qui lase en continu.

(vii) à tester les composants fabriqués (sources et photodétecteurs) dans des cellules de détection de gaz

À plus long terme, ces lasers seront largement utilisés dans les dispositifs miniaturisés omniprésents de faible puissance pour la détection optique de gaz et la surveillance de l’environnement.

Ce travail impliquera des contacts avec des laboratoires étrangers travaillant sur le même sujet dynamique.

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