Photonique sur Silicium par intégration cohérente d’alliages à base de nitrures dilués – SINPHONIC

Le projet SINPHONIC vise à démontrer la possibilité d'intégrer à grande échelle sur substrat de silicium (Si) des composants lasers (l'un des derniers verrous technologiques pour le développement des circuits optoélectroniques intégrés sur puce de Si) à base de nanostructures de semi-conducteurs III-V.
L'approche choisie dans le projet SINPHONIC, est d'utiliser la croissance cristalline monolithique et cohérente (en accord de maille) de semi-conducteurs III-V (connus pour leurs très bonnes propriétés optiques) directement sur Si. En particulier, l'utilisation du GaP0.97N0.03, alliage III-V en accord de maille sur Si permet de s'affranchir des défauts dûs au désaccord de paramètre de maille qui dégradent les performances des lasers. De plus, une LED a déjà été démontrée dans la filière GaP par les jeunes chercheurs constituant ce consortium. La réduction de la quantité de défauts générés par l'hétéro-interface III-V-Si dans le projet SINPHONIC doit donc ouvrir la voie pour une injection électrique efficace à travers l'interface GaP-Si montrant ainsi la comptabilité de ces structures avec la technologie CMOS bien connue sur Si, pour l'intégration à grand échelle.
Le projet s'appuie sur un nouvel équipement disponible au laboratoire FOTON-INSA, unique en Europe : un cluster de croissance LPCVD-MBE. Ce cluster de croissance comprend un bâti de LPCVD permettant la croissance de Si et de ses dopants, connecté sous ultra-vide à un bâti de croissance MBE permettant la croissance de semi-conducteurs III-V dans la filière GaP et nitrures dilués, et leurs dopants. Les croissances hétérogènes sont réalisées sans passage à l'air libre, ce qui permet de garder une surface non polluée de qualité épitaxiale.
Nous proposons dans SINPHONIC la réalisation de pseudo-substrats GaPN/GaP/Si (dopés ou non) ayant une densité de défauts compatible avec la réalisation de lasers sur Si, et la démonstration d'un émetteur efficace sur Si. Une homoépitaxie de Si est d'abord proposée, afin d'enterrer les défauts dus à la préparation chimique et thermique du Si. Lors de cette étape, l'influence du regroupement de marches sur la qualité des couches épitaxiées par la suite, sera étudiée en détail par des observations RHEED et AFM. La possibilité d'utiliser des substrats de Si (001) non vicinaux sera particulièrement envisagée pour la compatibilité avec l'industrie microélectronique.
Après transfert sous ultra-vide dans le bâti MBE III-V, une fine couche de nucléation de GaP est ensuite déposée (épaisseur inférieure à l'épaisseur critique). De nombreuses caractérisations structurales (TEM, SEM, AFM, rayons X) viendront à l'appui pour comprendre les premiers stades de la croissance hétérogène de GaP sur Si. En plus des fautes d'empilements et des micro-macles générées lors de la croissance, la présence de parois d'anti-phases (défauts provenant de la croissance d'un matériau polaire sur un matériau non-polaire), sera étudiée et limitée au minimum. Le projet se base sur une méthode originale utilisant la diffraction des rayons X, par source laboratoire ou synchrotron, donnant des informations statistiques sur les domaines d'anti-phase dans l'échantillon.
L'alliage GaPN en accord de maille et optiquement actif sur Si sera ensuite déposé sur GaP/Si. Aux caractérisations structurales déjà citées précédemment viendront se rajouter des caractérisations optiques poussées photoluminescence (PL), excitation de photoluminescence, PL résolue en temps) et des calculs de structure électronique (calculs abinitio, et liaisons fortes) permettant de déterminer l'origine de l'émission optique sur Si : effets de localisation d'excitons par "clustering", contributions des atomes d'azote au gap du matériau, ou encore écrantage des défauts provenant de l'interface GaP/Si par accumulation d'atomes d'azote. Pour finir, le projet SINPHONIC proposera la réalisation d’un émetteur sur Si validant la bonne qualité des structures pour les applications laser et leur pompage électrique.