Conception et fabrication par épitaxie sélective, mise 'bout à bout' et recroissance enterrée par MOVPE de circuits photoniques intégrés à base de multi-puits quantiques AlGaInAs sur InP pour transmissions optiques à 1,3 μm

Design and fabrication by Selective Area Growth, Butt-Joint Regrowth and Semi-Insulated buried Heterostructure by MOVPE of Photonic Integrated Circuit based on AlGaInAs/InP Multi-Quantum Well for optical transmission at 1.3μm

• Auteur / Autrice : Gustavo Afonso de castro
• Direction : Thierry Baron
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 14/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique

Mots clés

Mots clés libres

Recroissance butt-joint

Sag

Movpe

Sag

Butt-joint regrowth

Movpe

Résumé

Le travail de thèse s'inscrit dans le projet de développer une plateforme PIC, intégrant les matériaux AlGaInAs sur InP par MOVPE, dédiée à la bande O et incluant les techniques SAG-SIBH-BJR. La thèse cible un objectif quadruple : 1) La co-intégration de composants actifs et passifs permettant le développement de PIC intégrés à grande échelle (grâce au BJR), 2) Le développement de composants en réseau fonctionnant à des longueurs d'onde définies avec précision sur une plage ultra-large de 140 nm dans la bande O (grâce à la SAG), en particulier respectant le standard CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) où l'espacement entre les longueurs d'onde est de 20 nm. 3) le fonctionnement à grande vitesse résultant de l'utilisation de substrats InP semi-isolants pour réduire les effets parasites. 4) l'uitilisation d'une plage de température plus élevée et des valeurs de fonctionnement de tension de commande plus faibles en raison de l'exploitation de matériaux AlGaInAs et de la technique SIBH. La thèse offre une large part au travail expérimental pour lequel des aspects complexes très innovants seront présents, en particulier : L'épitaxie sélective (SAG) de structures laser à base de multi-puits quantiques (MQW pour Multiple Quantum Well) en bande O doit répondre à la double contrainte de couvrir une large gamme d'émission dans la bande (140 nm minimum) tout en permettant une liberté maximale de réglage et 'd'ingénierie de BandGap' de ces MQWs, déterminante pour les performances des lasers. Le doctorant définira la structure des zones actives en tirant le meilleur bénéfice des outils de conception et de simulation du laboratoire (simulation de croissance épitaxiale sélective, modélisation des niveaux d'énergie dans les MQWs, etc). Il assurera les épitaxies par MOVPE dans le nouveau réacteur Aixtron du laboratoire, ainsi que la fabrication des échantillons grâce aux techniques de salle blanche du III-V Lab (lithographie, e-beam, gravure, dépôt, etc). Il établira les conditions de préparation des surfaces et de croissance pour obtenir une qualité optimale des matériaux déposés. Des spécifications rigoureuses en terme de pureté, de qualité cristalline, d'intensité d'émission de photoluminescence seront définies pour garantir les performances des composants opto-électroniques fabriqués. La croissance SIBH est une étape cruciale du processus de fabrication. Hors la compatibilité SIBH-SAG sera au cœur du travail de thèse. Ces techniques de recroissance génèrent des topologies de surface non planarisantes très complexes. Les aspects cristallographiques des faces gravées et exposées à la croissance sont déterminants. De plus, les interfaces sont l'enjeu de phénomènes d'inter-diffusion, essentiellement d'espèces dopantes comme le Fer et le Zinc, qu'il est crucial de comprendre et de maitriser. Le BJR sera développé en tant qu'étape de croissance indépendante dès le début de la thèse. Cette étape additionnelle fait partie intégrante du sujet car la compatibilité de cette technique avec le SIBH-SAG est au cœur de l'approche globale. Les solutions de fabrication adoptées devront intégrer d'éventuelles contraintes liées à cette nouvelle étape de croissance. La microscopie électronique sera l'outil privilégié pour contrôler la continuité du guide optique lors de la mise 'bout à bout'.

The thesis work is part of the project to develop a PIC platform, integrating AlGaInAs materials on InP by MOVPE, dedicated to the O-band and including SAG-SIBH-BJR techniques. The thesis targets a fourfold objective: 1) The co-integration of active and passive components enabling the development of large-scale integrated PICs (thanks to BJR), 2) The development of arrayed components operating at precisely defined wavelengths over an ultra-wide range of 140 nm in the O-band (thanks to SAG), in particular respecting the CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) standard where the spacing between wavelengths is 20 nm 3) high speed operation resulting from the use of semi-insulating InP substrates to reduce parasitic effects. 4) the use of a higher temperature range and lower operating voltage values due to the exploitation of AlGaInAs materials and the SIBH technique. The thesis offers a large part to the experimental work for which very innovative complex aspects will be present, in particular: The selective epitaxy (SAG) of laser structures based on O-band multiple quantum wells (MQWs) must meet the dual constraint of covering a wide emission range in the band (140 nm minimum) while allowing maximum freedom of tuning and 'BandGap engineering' of these MQWs, which is decisive for laser performance. The PhD student will define the structure of the active zones by taking full advantage of the laboratory's design and simulation tools (selective epitaxial growth simulation, modeling of energy levels in the MQWs, etc.). He will perform MOVPE epitaxies in the laboratory's new Aixtron reactor, as well as sample fabrication using the III-V Lab's clean room techniques (lithography, e-beam, etching, deposition, etc). He will establish the surface preparation and growth conditions to obtain optimal quality of the deposited materials. Rigorous specifications in terms of purity, crystalline quality, photoluminescence emission intensity will be defined to guarantee the performance of the manufactured optoelectronic components. SIBH growth is a crucial step in the manufacturing process. The SIBH-SAG compatibility will be at the heart of the thesis work. These regrowth techniques generate very complex non-planarizing surface topologies. The crystallographic aspects of the etched and grown faces are crucial. Moreover, the interfaces are subject to inter-diffusion phenomena, mainly of doping species such as Iron and Zinc, which it is crucial to understand and control. BJR will be developed as an independent growth step from the beginning of the thesis. This additional step is an integral part of the subject as the compatibility of this technique with SIBH-SAG is at the heart of the overall approach. The fabrication solutions adopted will have to integrate possible constraints related to this new growth step. Scanning Electron microscopy will be the privileged tool to control the continuity of the light guide during the 'end to end' process.