Intégration de Nanofils III-V sur SOI pour COnnections Optiques sur Puce. – INSCOOP

Le projet INSCOOP propose une stratégie originale pour intégrer des liens optiques sur substrat de silicium (Si) pour l’interconnexion optique sur puce. Le lien est matérialisé par un guide d’onde optique réalisé dans une couche de Si sur isolant (SOI). Une source optique compacte fonctionnant à une longueur d’onde de 1,2 µm ou au delà sera fabriquée directement au dessus du guide d’onde en Si. Cette source est basée sur des semiconducteurs III-V déposés sélectivement à la surface du guide sous la forme de fils photoniques verticaux. Disposés sous forme de réseaux réguliers, ces fils formeront une cavité résonante de cristaux photoniques. Le projet vise à démontrer que sous pompage optique, des modes de Bloch hybrides peuvent être amplifiés dans ce micro-résonateur à fils photoniques III-V et se propager dans le guide Si. Une telle démonstration ouvrira la route à des interconnexions optiques entièrement intégrées sur puce.
Pour être compatible avec la technologie CMOS, nous proposons de fabriquer ce composant avec une approche monolithique qui puisse être mise en œuvre sur des substrats larges avec une forte densité d’intégration et de bons rendements, impossible avec des techniques de report de couches. L’intégration du matériau III-V sur Si est basée sur la croissance épitaxiale de nanofils (NFs) par la méthode vapeur-liquide-solide (VLS). Cette approche est très efficace pour obtenir du matériau sans défauts avec une haute qualité optique malgré le fort désaccord de maille interfacial. Des réseaux réguliers seront obtenus en pratiquant de petites ouvertures dans un masque de SiO2 contenant les particules de catalyseur. Des hétérostructures cœur-coquille de type InAsP/InP permettront d’émettre à une longueur d’onde dans la transparence du Si, tout en limitant les recombinaisons de porteurs en surface. La structure cœur-coquille aux dimensions adéquates sera obtenue par étapes de croissance successives. Pour être pleinement compatible avec les technologies CMOS, nous viserons des croissances sur substrat Si orienté (001) et sans le catalyseur Au habituellement utilisé en VLS, puisque cette impureté est indésirable dans les procédés CMOS. Sur une surface (001), les NFs poussent généralement inclinés selon les directions <111> du substrat. Sur la base de résultats préliminaires obtenus par un des partenaires, nous proposons d’utiliser une fine couche intermédiaire de SrTiO3 pour obtenir des NFs orientés (111) verticaux alignés sur la direction [001] du substrat. Ces activités de croissance seront menées en tâches 2, 3 et 4 du projet.
Pour les accompagner, une tâche 5 sera dédiée aux caractérisations structurales et optiques du matériau et à de la modélisation. Des outils de modélisation seront développés pour décrire la croissance VLS des NFs et pour évaluer leur structure électronique. En particulier les conditions de croissance auto-catalysée permettant d’obtenir une phase cristalline pure seront examinées. Des calculs tight-binding et k.p seront mis en œuvre pour évaluer les effets piézo-électriques et excitoniques dans les structures originales qui seront obtenues (NFs cœur-coquille de phase wurtzite).
La tâche 6 sera dédiée à l’optimisation et l’évaluation de la micro-source optique (LED résonante ou laser). Des simulations électromagnétiques guideront le design du réseau périodique de NFs photoniques sur Si. On cherchera de forts facteurs de qualité et un couplage efficace entre ces micro-résonateurs et le guide SOI. Après leur fabrication, ces réseaux de NFs seront planarisés par un isolant de faible indice. Cette étape technologique supplémentaire permettra de préparer l’objectif plus lointain d’injection électrique dans la source (non traité dans ce projet). Les caractéristiques de l’émission seront mesurées sous pompage optique. Cette source ultra-compacte d’architecture originale devrait présenter un rendement élevé et une consommation réduite. Ces critères sont essentiels pour le développement de la photonique sur Si.