Injection électrique pour un laser en germanium contraint

Electrical injection for a strained germanium laser

• Auteur / Autrice : Mathias Prost
• Direction : Philippe Boucaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/03/2015
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Aniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Boucaud, Frédéric Aniel, Kader Souifi, Roland Teissier, Jean-Marc Fédéli, Moustafa El Kurdi, Frédéric Boeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kader Souifi, Roland Teissier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Photonique

Mots clés libres

Photonique sur silicium

Germanium

Injection électrique

Silicon photonics

Germanium

Electrical injection

Résumé

L’utilisation du germanium dopé de type n et contraint en tension ouvre la possibilité d’obtenir une source laser monolithique pour la photonique sur silicium. Mes travaux étudient l’injection électrique dans le germanium pour sonder la réalisation d’un laser contraint. J’ai dimensionné les performances des futurs dispositifs en fonction de la contrainte et du dopage. Pour cela, j’ai simulé le transport des porteurs au travers de doubles hétérostructures afin d’obtenir l’inversion de population dans la couche de germanium a été mis en évidence. Un régime de fonctionnement qui permet de réduire de deux ordres de grandeur le courant de seuil d’inversion de population. En appliquant une déformation de 0.9%, avec un dopage de 4×〖10〗^19 cm-3, on peut obtenir des densités de courant de seuil inférieures à 10 kA/cm2. La formation d’hétérostructure avec le germanium est critique. Afin d’étudier expérimentalement l’électroluminescence du germanium, j’ai dû établir des méthodes alternatives d’injection des porteurs à la double hétérostructure GaAs-p/Ge-n/GaAs-n. On utilise des contacts redresseurs (Schottky) sur des couches de germanium dopées de type n. Cette méthode a été optimisée par la passivation de la surface du germanium avec une couche d’oxyde, qui permet l’amélioration des propriétés électriques et d’émission radiative. On a aussi développé une approche permettant de former des couches de SiGe sur germanium par épitaxie induite par recuit laser pour obtenir une double hétérostructure. J’ai réalisé plusieurs types de cavités en germanium qui permettent de combiner le transfert de la contrainte avec l’injection électrique. J’ai établi le procédé de fabrication pour des structures en guide d’onde et en micropilier en utilisant un transfert de déformation par des couches de SiN contraintes. Un niveau de déformation biaxial de 0.72% pour des cavités en micropilier sous injection électrique a été atteint. L’évaluation de la déformation à partir des spectres d’électroluminescence a été confrontée à des simulations de déformation mécanique par éléments finis, tout en considérant l’injection électrique des porteurs dans la structure

Tensile strained and n-doped germanium can be used as an active material for the realization of an optical source for silicon photonics. I have investigated electroluminescence of device as a function of tensile strain and n-doping. For that, I have performed modeling of the carrier transport through double heterostructures to obtain population inversion in the germanium layer. An operating point that reduces by two orders of magnitude the population inversion current threshold has been evidenced. For a germanium layer doped at 4×〖10〗^19 cm-3 with a 0.9% biaxial strain, the current density threshold could be reduced below the 10 kA/cm2 range. The germanium interface properties are critical. To experimentally investigate electroluminescence in germanium, I had to establish different methods of carrier injection to offer an alternative to the double heterostructure p-GaAs/n-Ge/n-GaAs. We first propose to use a Schottky heterostructure to inject carriers in n-doped germanium. We show that carrier injection and electroluminescence devices can be optimized by depositing a thin interfacial oxide layer on top of n-doped germanium. We have also developed an approach to form SiGe layers on germanium by epitaxial laser induced annealing in order to obtain a double heterostructure. I have developed several clean room processes to fabricate germanium cavities which can combine electrical injection and strain transfer, including waveguides and micropilars structures. We show that a biaxial tensile strain up to 0.72% can be transferred in micropilar cavities under electrical pumping. The evaluation of strain level was confronted to finite element simulations of mechanical deformation, taking into account the electrical carrier injection