Vers un laser germanium dopé N et contraint en tension

Towards a tensile strained, N doped germanium laser

• Auteur / Autrice : Malo de Kersauson
• Direction : Philippe Boucaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/06/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Institut d'électronique fondamentale
• Jury : Président / Présidente : Eric Tournié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Boucaud, Eric Tournié, Nicolas Bertru, Vincent Calvo, Moustafa El Kurdi, Giovanni Capellini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bertru, Vincent Calvo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gain (électronique)

Déformations (mécanique)

Lasers à semi-conducteur

Germanium

Mots clés libres

Germanium

Laser

Déformation en tension

Dopage

Épitaxie

Gain

Photoluminescence

Germanium

Laser

Tensile strain

Doping

Epitaxy

Gain

Photoluminescence

Résumé

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié différentes approches qui devraient permettre d’obtenir l’effet laser dans le germanium. Nous avons pu montrer expérimentalement l’influence du dopage et de la déformation sur la structure de bande du germanium, et l’adéquation avec les modèles concluants à l’existence de gain. Nous avons exploré les possibilités offertes par l’hétéro-épitaxie sur III-V pour obtenir une déformation en tension du germanium. Nous avons évalué la déformation résultante par des mesures croisées de rayons X, de diffusion Raman et de photoluminescence, et étudié l’évolution de la qualité des couches épitaxiées en fonction de la déformation et de l’épaisseur. Une nouvelle méthode de déformation du germanium, s’appuyant sur le dépôt par plasma de couches contraintes de nitrure, a été introduite et étudiée. L’effet laser a été recherché par la conception de guides ridges et microdisques déformés par ces dépôts. Plusieurs voies d’application de la déformation dans ces cavités ont été explorées à travers des simulations par éléments finis et la conception de structures de test. Cette optimisation préalable nous a permis d’observer sur les microdisques une déformation biaxiale de 1.11%. En uniaxial, nous avons pu appliquer au germanium une déformation de 1.07% et montrer expérimentalement l’importance de la direction de la déformation dans l’augmentation de la luminescence. Nous avons pu observer et mesurer un gain optique net de 80 cm⁻¹ dans des structures déformées uniaxialement à 0.8%.

In this PhD work, we studied different approaches that should lead to a germanium laser. We have experimentally shown the influence of strain and doping on the germanium band structure, and the adequacy of the existing models. We explored the possibilities offered by heteroepitaxy on III-V compounds to apply stress. We investigated the resulting strain by cross-checking X-rays, Raman spectroscopy and photoluminescence measurements, and analysed the quality of the grown layers depending on strain and thickness. A new method to apply strain to the germanium, by means of plasma deposited stressed nitride layers, was introduced and studied. Lasing has been pursued by conceiving ridges and microdisks strained by this method. An optimization of the geometry was performed through finite element modeling and the production of test structures. This optimization allowed to achieve a maximum biaxial strain of 1.1%. For uniaxial strains, we observed a maximum of 1.07% and showed experimentally the importance of the crystalline orientation in the enhancement of the emission. We demonstrated a modal gain value of 80 cm⁻¹ in ridges uniaxially strained at 0.8%.