Propriétés optiques liées à la bande interdite directe dans les multi-puits quantiques Ge/SiGe – GOsPEL

Pour atteindre l’objectif du projet GOSPEL, l’ensemble des propriétés physiques, optiques et optoélectroniques des structures à multi-puits quantiques Ge/SiGe sont étudiées, à la fois théoriquement et expérimentalement, de manière à améliorer la compréhension des propriétés physiques de ces structures.

Les premiers résultats obtenus portent sur la démonstration des principales fonctions optoélectroniques. Un modulateur optique de seulement 90 µm de long présentant un taux d’extinction de 9 dB, une bande passante de 23 GHz et une consommation de 100 fJ/bit a été réalisé. Un photodétecteur fonctionnant à 10 Gbit/s, avec une responsivité de 0.8 A/W a été obtenu. Enfin l'électroluminescence a été démontré pour la première fois dans ces structures.

Les prochaines étapes consistent d’une part à affiner le lien entre les modèles théoriques et résultats expérimentaux, de manière à pouvoir améliorer les performances des composants optoélectroniques par une compréhension fine des phénomènes physiques mis en jeux, et d’autre part à intégrer les dispositifs avec des guides d’ondes pour réaliser des liens optiques à base de structures à puits quantiques Ge/SiGe pour les futurs systèmes de communications.

P. Chaisakul, D. Marris-Morini, et al, IEEE Phot.Tech.Letters, 23 (20), 1430-1432 (2011).
P. Chaisakul, D. Marris-Morini, et al, Applied Physics Letters, 99, 141106, (2011).
P. Chaisakul, D. Marris-Morini, et al, Optics Express, 20 (3), 3219-3225, (2012)

La recherche en photonique sur silicium est en pleine explosion depuis une dizaine d’année, avec des applications envisagées dans différents domaines. L’intégration de fonctions optiques sur les circuits microélectroniques ouvre des perspectives innovantes pour l’amélioration des performances des circuits intégrés. Dans le domaine des télécommunications optiques, l’utilisation de la technologie silicium et des moyens de production associés permet d’envisager le déploiement de composants optoélectroniques à bas coûts et hautes performances.
Les composants optoélectroniques sont les points clefs pour le développement de la photonique silicium. Malgré les démonstrations de modulateur silicium et photodétecteur germanium présentant de bonnes performances en terme de rapidité et d’efficacité, ainsi que la réalisation de sources laser utilisant des matériaux III-V reportés sur silicium, l’intégration de tous ces composants sur un circuit électronique est difficile, notamment en raison des différents matériaux et technologies nécessaires pour chaque élément. De plus un modulateur optique silicium présentant une grande passante optique nécessite une région active de plus de 1 mm de long, ce qui est un frein à leur intégration. Finalement la réalisation d’une source optique directement compatible avec les technologies silicium est toujours le Saint Graal des chercheurs en photonique silicium.
Le réel essor de la photonique silicium nécessite de résoudre ces différents points bloquants, ce qui ne sera possible qu’en proposant des concepts innovants, en rupture avec les technologies actuelles. Dans ce contexte, le projet GOSPEL porte sur l’étude des propriétés optiques liées à la bande interdite directe dans des structures à puits quantiques Ge/SiGe. En effet en 2005 des mesures de spectroscopies de photocourant ont été utilisées pour montrer que l’Effet Stark Confiné Quantiquement (ESCQ) pouvait être obtenu dans des structures à puits quantiques Ge/SiGe avec une forte concentration en germanium dans le SiGe. Ce résultat a constitué la première démonstration de l’utilisation d’un effet de bande interdite directe dans un matériau à bande interdite indirecte, et a ouvert la voie à de nombreux travaux, à la fois concernant la compréhension fine des mécanismes entrant en jeu, mais également concernant la réalisation de composants optoélectroniques innovants basés sur ces mécanismes.
Dans ce contexte, le but du projet GOSPEL est d’étudier les propriétés physiques, optiques et optoélectroniques de structures à multi-puits quantiques Ge/SiGe. Ces structures sont réalisés par « Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition » (LEPECVD) dans le cadre d’une collaboration le laboratoire L-Ness (Como - Politecnico di Milano, Italie). En raison du désaccord de maille entre le silicium et le germanium, une couche tampon graduelle en SiGe est utilisée permettant ensuite la croissance de puits quantiques Ge/SiGe de très haute qualité cristalline. Les résultats préliminaires sur ces structures nous ont en effet permis de démontrer l’ESCQ à température ambiante pour une lumière incidente perpendiculaire et pour la première fois pour une lumière parallèle au plan des couches, résultat important en vue des applications en configuration guide d’onde.
Dans le projet GOSPEL, les propriétés physiques (énergie et intensité des pics excitoniques, dynamique des porteurs et transport) et optoélectroniques (influence d’un champ électrique externe, luminescence) des structures à puits quantiques Ge/SiGe seront comparés aux résultats théoriques, de manière à améliorer la compréhension des propriétés physiques de ces structures. Des dispositifs optoélectroniques basés sur ces nouveaux effets seront conçus et fabriqués, de manière à conclure sur la possibilité et l’opportunité de développer une plateforme photonique nouvelle et originale basée sur les hétérostructures Ge/SiGe.