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Intégration par épitaxie de composants optoélectroniques III-V sur Si – OPTOSI

Intégration par épitaxie de composants optoélectroniques III-V sur Si

Emetteurs III-V épitaxiés sur Si

Enjeux et objectifs

The 21st Century is clearly characterized by the explosion of requests for computing, storage and communication capabilities. While Photonics may be already found at the heart of today’s communication network providing enormous performance to backbone, metro and access systems, at shorter distances, the challenges implied by signal speeds, power consumption, miniaturization and, on the whole, overall costs, are still only partially addressed. OPTOSI objective is the monolithic integration of III-V laser source on silicon which has not been demonstrated yet.

The very objective of this project is the realization of III-V lasers directly grown on Si substrates and the evaluation of the potential for their massive integration on Si based technology.
Task 1 will perform the growth and related routine characterizations of III-V/Si platforms following the two complementary approaches presented above. Optimized conditions of the Si surface preparation and the III-V/Si nucleation layer will be sought to favour defect annihilation or confinement close to the interface. Besides, task 1 will determine the growth parameters to obtain high quality wafers in both LMM III-Sb/Si and LM GaP(N)/Si materials systems. Buffer layers will be exchange between partners to investigate independently the impact of material polarity and lattice mismatch.
Task 2 deals with thorough and detailed microstructure investigations and on studies of the optical and electronic properties of the templates and of the active nanostructures (quantum dots, quantum wells) grown on these templates. The results will be feedback to define new growth parameters in order to optimize these templates. In addition, GaP- and GaSb- based nanostructures designed to emit at the target wavelengths will be grown on the templates and thoroughly characterized and modelled.
Task 3 will be devoted to the modelling, growth, processing and characterization of the various III-V lasers on the platforms provided by Task 1 and according to the active zone designs delivered by Task 2. An important effort will address processing issues such as cavity formation or contact location for discrete devices. These III-V on Si lasers will be thoroughly investigated in order to benchmark them against standard InP lasers. Preliminary ageing tests will also be performed since the lifetime of III-V on Si lasers is a notorious issue. Note in this respect that the interconnect application will require much relaxed specifications as compared to usual telecom lasers.

Laser à base de GaSb épitaxié sur Si et adéquat pour les télécoms
Laser à base de GaP(N) épitaxié sur Si et émettant vers 900 nm

OPTOSI ambitionne de démontrer la possibilité d'intégrer monolithiquement des dispositifs optoélectroniques III-V sur substrat Si, avec une application prioritaire à la photonique Si. Le projet est basé sur l'étude et l'évaluation de la croissance directe par épitaxie par jets moléculaires (EJM) de semiconducteurs composés III-V sur substrat Si selon deux routes complémentaires:
1. une approche métamorphique basée sur les propriétés particulières de relaxation de la contrainte des semiconducteurs III-Sb fortement désaccordés. La relaxation se produit par formation d'un réseau de dislocations de désaccord confinées près de l'interface, ce qui conduit à une faible densité de défauts traversants.
2. une approche de quasi-accord de maille basée sur les semiconducteurs à base de GaP qui peuvent être accordés en maille sur Si et permettent d'éviter le problème de la formation de défauts dûs à la relaxation des contraintes.

Ces plateformes III-V/Si seront utilisées pour épitaxier des hétérostructures lasers à base de III-Sb et de GaP(AsN) de façon à évaluer leur potentiel réel dans la perspective de la photonique Si. De nouvelles nanostructures seront explorées dans les deux familles de matériaux afin d'entrer notablement dans la gamme spectrale 1.2 - 1.5 µm intéressante pour les interconnexions optiques, les III-Sb et GaP(As,N) approchant par les grandes et courtes longueurs d'onde, respectivement.

OPTOSI rassemble 4 partenaires académiques (IES-Montpellier, FOTON-Rennes, LPN-Marcoussis, LPCNO-Toulouse) qui présentent des expertises scientifiques complémentaires couvrant les domaines de sciences des matériaux, physique du composant et technologie du composant. Un partenraire industriel (3-5 lab) complète le consortium afin de juger de la pertinence des résultats en terme de perspective industrielle.

En cas de succès le projet ouvrira de nouvelles voies pour l'intégration des composants III-V sur Si et il aura un impact bien au-delà de la photonique Si. Il pemettra d'envisager l'intégration de toute type de composant III-V sur Si, tel que les transistors MOS III-V de la roadmap ITRS ou les cellules solaires à fort rendement. L'importance de ce secteur est illustré par le fait que la conférence professionnelle "Compound Semiconductor week" qui vise à "définir le futur de l'industrie des semiconducteurs composés" sera consacré cette année à l'intégration des III-V sur Si.

Coordinateur du projet

Monsieur Eric Tournié (Institut d'Electronique du Sud) – eric.tournie@umontpellier.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

3-5 lab III-V Lab
FOTON INSA de Rennes
LPN Laboratoire de Photonique et Nanostructures
LPCNO Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets
IES Institut d'Electronique du Sud

Aide de l'ANR 708 234 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2012 - 36 Mois

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