Etude des couches minces du système ternaire Ge-Se-Te et fabrication de composants d'optique intégrée IR, briques de base de micro-capteurs optiques de gaz

par Mai Vu Thi

Thèse de doctorat en Chimie et physicochimie des matériaux

Sous la direction de Caroline Vigreux.

Soutenue le 04-11-2014

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Annie Pradel.

Le jury était composé de Caroline Vigreux, Annie Pradel, Frédéric Smektala, David Lecoq, Marie-Christine Record, Lionel Bastard.

Les rapporteurs étaient Frédéric Smektala, David Lecoq.


  • Résumé

    Dans un contexte où les besoins en capteurs de gaz sont de plus en plus importants, en particulier pour la métrologie de l'environnement, il est proposé dans ce travail la réalisation de guides d'onde droits, de guides spirales, de jonctions Y,…, éléments indispensables pour la fabrication de micro-capteurs optiques infrarouges. La réalisation de ces différents éléments, par empilement et gravure de couches amorphes du système ternaire Ge-Se-Te, a nécessité en premier lieu l'étude du dit système. Des couches minces Ge-Se-Te de compositions très différentes ont été déposées par co-évaporation thermique, puis caractérisées en termes d'homogénéité, stabilité thermique, gap optique et indice de réfraction. L'évolution des propriétés en fonction de la composition a ensuite permis de mettre en évidence un domaine de compositions du système Ge-Se-Te particulièrement attractif : dans ce domaine, correspondant aux compositions riches en sélénium (plus de 55 % atomique) et contenant entre 20 et 30 % de germanium, les couches sont en effet monophasées, caractérisées par des températures de transition vitreuse élevées, une grande stabilité thermique, et un domaine de transparence s'étendant de 1 à 16 µm environ. Dans ce domaine de compositions, deux d'entre elles ont été choisies, Ge25Te10Se65 et Ge25Te20Se55, et utilisées pour fabriquer différents circuits d'optique intégrée. Les éléments les plus simples, à savoir des guides d'onde canaux, ont été réalisés en déposant successivement deux couches (Ge25Te10Se65 puis Ge25Te20Se55) sur un substrat silicium, puis en modifiant la géométrie de la couche supérieure d'indice de réfraction plus élevé par usinage ionique, de sorte à obtenir un confinement bidimensionnel de la lumière. Les pertes de propagation de ces guides ont été estimées à 1 dB.cm-1 à la longueur d'onde 1,55 µm. D'autres éléments plus complexes ont ensuite été fabriqués : des guides d'onde courbes pour lesquels les propriétés de guidage ont été obtenues quel que soit le rayon de courbure, des guides spirales ayant donné lieu à un bon guidage de la lumière, des jonctions Y caractérisées par une division satisfaisante de l'intensité lumineuse, ainsi que des interféromètres de type Mach-Zehnder en sortie desquels la lumière a été correctement recombinée.

  • Titre traduit

    Study of thin films of the ternary Ge-Se-Te system and manufacture integrated optical IR components, basic elements of optical micro-gas sensors


  • Résumé

    In a context where the needs for gas sensors are increasingly important, especially for environmental metrology, it is proposed in this work to achieve straight waveguides, spirals, Y-junctions, ..., elements essential for the fabrication of infrared optical micro-sensors. The realization of these elements, by stacking and etching of amorphous thin films from the Ge-Se-Te ternary system, first required the study of this system. Ge-Se-Te thin films of very different compositions were deposited by thermal co-evaporation and characterized in terms of uniformity, thermal stability, optical band gap and refractive index. The evolution of the film properties with the composition was then used to highlight a particularly attractive area of compositions in the Ge-Se-Te system: in this domain, corresponding to compositions rich in Se (more than 55 atomic %) and containing between 20 and 30 atomic % in Ge, the layers are indeed single-phase, characterized by high glass transition temperatures, high thermal stability, and a transparency window extending from 1 to about 16 microns. In this composition region, two of them were selected, Ge25Te10Se65 and Ge25Te20Se55, and used to realize different integrated optics circuits. The simplest elements, which are channel waveguides, were made by depositing successively two layers (Ge25Te10Se65 then Ge25Te20Se55) on a silicon substrate, and then by modifying the geometry of the higher refractive index top layer by ion beam etching, so as to obtain a two-dimensional confinement of light. Propagation losses of these straight waveguides were estimated at 1 dB.cm-1 at the 1.55 µm wavelength. Other more complex elements were then fabricated: S-bent waveguides for which the guiding properties were obtained whatever the curvature radius, operational spiral waveguides, Y-junctions able of a satisfactory division of the light intensity, and Mach-Zehnder interferometers at the output of which the light was successfully recombined.


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