Poste de doctorat financé sur la croissance sélective de GeSn pour les dispositifs photoniques infrarouges

Contexte. La capacité d’intégrer des dispositifs optoélectroniques actifs et passifs sur une plaquette de Si est un paradigme essentiel dans la quête du développement de technologies de communication de données, d’imagerie et de détection quantique à faible coût et économes en énergie. À cette fin, une plate-forme de semi-conducteurs monolithiques de tout groupe IV est à portée de main, utilisant des semi-conducteurs GeSn à bande interdite directe.1 Au cours de la dernière décennie, d’énormes progrès ont été réalisés dans la croissance épitaxiale de GeSn, où un matériau à bande interdite directe (c’est-à-dire à haute efficacité pour l’émission optique) est obtenue à des teneurs en Sn >9 at.%. Des prototypes de photodétecteurs, de lasers et de LED GeSn ont été fabriqués à partir des longueurs d’onde infrarouges à ondes courtes (SWIR : 1,5-3 μm) jusqu’aux longueurs d’onde infrarouges à ondes moyennes (MWIR : 3-8 μm).2,3 Le principal goulot d’étranglement avec le GeSn Cependant, la technologie réside dans le grand nombre de défauts structurels qui réduisent considérablement l’efficacité des dispositifs photoniques fabriqués à partir de GeSn. Cela empêche une adoption à grande échelle de la photonique GeSn au profit des technologies de semi-conducteurs III-V et II-VI conventionnelles mais coûteuses.
Projet. La croissance de GeSn est généralement réalisée sur Si en utilisant Ge comme couche intermédiaire dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), donc avec un processus de fabrication compatible industriel. Cependant, l’inadéquation du réseau entre GeSn et le substrat Ge/Si conduit à une déformation en compression dans GeSn et la relaxation par déformation plastique entraîne des défauts structurels. Les défauts sont une source de recombinaison non radiative et contribuent largement au courant d’obscurité des dispositifs photoniques GeSn, réduisant ainsi fortement l’efficacité.
Cette thèse surmontera ces défis et développera la croissance sélective de zones (SAG) de diodes à broches GeSn sans défauts à partir d’ouvertures de taille nanométrique qui sont structurées dans une couche de masque d’oxyde sur Si. Le SAG s’est avéré être une approche très précieuse pour l’intégration de semi-conducteurs III-V sans défauts sur Si,4 avec des résultats similaires qui sont actuellement explorés dans Ge.5. La croissance de GeSn sera sélectivement confinée dans de très petites régions du plaquette d’oxyde/Si à motifs. Dans SAG, la réduction des dimensions latérales des fenêtres d’oxyde à motifs diminuera fortement la densité de défauts dans la couche de GeSn cultivée par épitaxie grâce au filtrage des dislocations. La qualité cristalline inégalée du SAG GeSn augmentera l’efficacité des dispositifs optoélectroniques infrarouges et établira ainsi une plate-forme photonique infrarouge monolithique robuste et évolutive utilisant des matériaux semi-conducteurs du groupe IV. Des dispositifs photodétecteurs constitués de diodes à broches SAG GeSn seront fabriqués comme système modèle pour démontrer l’efficacité du SAG par rapport à la technologie GeSn existante basée sur des échantillons GeSn sans motif.2
Compétences à acquérir.
(i) Croissance épitaxiale de semi-conducteurs du groupe IV à base de Sn à l’aide d’outils CVD et d’épitaxie par jet moléculaire (MBE).
(ii) Caractérisation structurale des matériaux SAG jusqu’au niveau atomique.
(iii) Fabrication de dispositifs photoniques infrarouges dans une salle blanche.
(iv) Caractérisation optoélectronique des matériaux et des dispositifs.
Compétences requises. Expérience en physique du solide et en science des matériaux, intérêt pour la réalisation d’expériences en laboratoire, le travail en équipe et la contribution à des collaborations internationales.
Date de début. D’ici le 1er octobre 2024.
Financement doctoral. Thèse financée par Initiatives de Recherche à Grenoble Alpes (IRGA).
Superviseur. Dr Simone Assali (CEA-IRIG/PHELIQS, Grenoble).
Lectures complémentaires.
1. Photonique infrarouge monolithique sur silicium : l’essor des semi-conducteurs (Si)GeSn.
2. Photodétecteurs GeSn SWIR étendus à large bande passante sur silicium.
3. Lasers GeSn à injection électrique avec une longueur d’onde maximale jusqu’à 2,7 μm.
4. Diodes laser à nano-crêtes GaAs entièrement fabriquées dans une ligne pilote CMOS de 300 mm.
5. Transport cohérent de trous dans des réseaux de nanofils Ge cultivés dans des zones sélectives.

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Pour postuler à ce poste, envoyez votre candidature (CV et lettre de motivation) par e-mail à : simone.assali@cea.fr .