Injection de porteurs libres par laser intense: Contrôle 3D de défaillances à l'intérieur de dispositifs intégrés à semi-conducteurs – MultiPhoton e-Inject

Le projet MultiPhoton E-Inject, conduira une étude inédite portant spécifiquement sur la question de l’ionisation en champ laser intense dans le domaine de transparence des matériaux semi-conducteurs. Le projet a pour objectif de tirer bénéfice des spécificités des interactions multiphoniques d’ordres élevés pour développer des solutions innovantes pour le traitement des problématiques liées à la défaillance des dispositifs intégrés en microélectronique.

Nous traiterons les questions scientifiques à toutes les échelles de temps impliquées dans les interactions en champs laser intenses dans la matière condensée. Nous développerons une méthodologie basée sur la déplétion de faisceaux pour améliorer la compréhension de la physique d’ionisation non linéaire (déplétion de pompe), dynamique des porteurs de charge (déplétion de sonde ultra-rapide) et des modifications induites (sondes optiques et caractérisation de matériaux) dans des semi-conducteurs à gap directs (GaN, GaAs). Dans les expériences, nous utiliserons des impulsions femtosecondes infrarouges (2 à 10 µm) fortement focalisées à l’intérieur de cibles (matériaux) calibrées. L’étude visera à fournir des paramètres optimisés (laser) pour réaliser des interactions autant que possible en faveur de l’ionisation multiphotonique (en compétition avec des mécanismes comme l’ionisation par avalanche). Cela permettra d’accéder à des régimes d'intéraction extrêment précis et reproductibles.

En dessous du seuil de claquage des matériaux, l'injection de porteurs de charges par processus multiphotonique d'ordre élevé se traduira par une absorption très fortement dépendante du gap apparent des matériaux. La technique qui sera développée pour observer ce processus dans la zone focale sera alors utilisée pour cartographier les matériaux et leurs défectivités (défauts) avec une résolution sub-micrométrique dans un espace à trois dimensions (3D) à l’intérieur de dispositifs intégrés. Cette nouvelle technique (que nous nommons ici MLS pour « Multiphoton Laser Stimulation »), s’ajoutera au panel des microscopies non-linéaires avec une résolution supérieure résultant de la nature plus fortement non-linéaire des processus impliqués.

Au dessus du seuil de claquage deterministe des matériaux, nous étudierons les régimes de modification de la matière qui sont attractifs pour la correction locale de matériaux. Ce travail definiera la fenêtre de travail pour un procédé non-invasif. Il préparera également les évolutions potentielles de la technique pour l'écriture et la fabrication directe 3D en microélectroniques et télécommunications.

L’analyse de défaillance est un aspect stratégique majeur dans l’industrie des semi-conducteurs pour améliorer la fiabilité et le design des produits. A moyen terme, la MLS devrait ouvrir des nouvelles voies pour développer des solutions complètes (de la détection de défauts à la correction des matériaux) pour l'industrie de la microélectronique.