Intégration hybride de sources laser III-V sur Si par collage direct et recroissance pour les télécommunications à haut débit

Hybrid Integration of III-V on Si laser sources by direct bonding and regrowth for high speed telecommunications

• Auteur / Autrice : Claire Besancon
• Direction : Thierry Baron, Jean Decobert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 11/09/2020
• 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 (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Berbezier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Tournié, Frédéric Bœuf
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Talneau, Éric Tournié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Collage (matériaux)

Épitaxie

Silicium -- Substrats

Systèmes de télécommunications à large bande

Mots clés libres

Epitaxie

Movpe

III-V/Si

Photonique sur Si

Collage direct

Croissance sélective

Epitaxy

Movpe

III-V/Si

Silicon Photonics

Direct bonding

Selective Area Growth

Résumé

Ce travail présente une approche d’intégration de semiconducteurs III-V sur silicium. L’objectif est de réaliser des sources laser multi-longueur d’onde émettant en bande C pour les télécommunications optiques à partir d’une croissance épaisse de matériaux III-V sur fine couche d’InP collée sur silicium oxydé (InP-SiO2/Si = InPoSi).Afin d’étudier la compatibilité du procédé de collage avec l’élévation en température nécessaire à l’étape de recroissance, de l’ordre de 600°C par MOVPE, une étude de la stabilité en température des substrats InPoSi a été menée. Cette dernière a mis en évidence le délaminage de l'InPoSi avec apparition de ''bulles'' liée au décollement de la couche d’InP provoqué par la désorption d’hydrogène à 400°C. Une étude de la diffusion latérale de l’hydrogène le long de l’interface de collage a permis de mesurer une longueur de diffusion de l’ordre de 100 µm dans nos conditions expérimentales. Le développement de tranchées de dégazage espacées de 200 µm a ainsi permis d’effectuer la recroissance de matériaux III-V de haute qualité sur InPoSi sans apparition de défectivité de type ''bulles'' entre ces tranchées.Par la suite, l'amélioration constante des étapes de préparation des surfaces à coller a permis d'obtenir une qualité de matériau InPoSi optimale pour la recroissance à haute température sans faire appel à des procédés de dégazage. L’étude d’une structure active composée de multipuits quantiques (MQWs) à base de matériaux AlGaInAs a été menée par caractérisation in-situ pendant la croissance sur InPoSi. Par la mesure en temps réel de la courbure du substrat InPoSi à température d’épitaxie, une contrainte thermique de 390 ppm a été quantifiée. Cette dernière est créée par la différence de coefficients d’expansion thermique entre InP et Si. Malgré cette contrainte thermique, la recroissance d’une structure diode laser de 3 µm d’épaisseur de grande qualité cristalline a été démontrée sur InPoSi. Des lasers à contact large basée sur cette structure ont été fabriqués et les performances ont été comparées à celles obtenues pour le même composant fabriqué sur substrat InP pour référence. Des courants de seuil de 0,4 kA/cm² à 20°C en régime pulsé ont été obtenus sur InPoSi. La comparaison des lasers sur InPoSi et InP a montré des courants de seuil, des rendements et une température caractéristique similaires. Ce résultat démontre que la structure épaisse épitaxiée sur InPoSi ne subit pas de dégradation matériau.Enfin, un nouveau procédé de croissance sélective (SAG : Selective Area Growth) a été développé spécifiquement sur InPoSi. Pour cela, la silice de l'InPoSi est déterrée localement par gravure de la couche d'InP afin d'offrir des surfaces diélectriques de tailles variables pour le procédé SAG. La variation des épaisseurs des puits quantiques obtenus par épitaxie sélective en fonction de la surface des masques permet d'atteindre une très large extension en longueur d’onde de photoluminescence, de 1490 à 1650 nm. En utilisant la SAG, des lasers Fabry-Pérot ont été fabriqués en structure shallow-ridge et des émissions laser couvrant 155 nm d’extension spectrale ont été obtenues. Pour une barrette de 500 µm de long, des courants de seuil en dessous de 30 mA à 20°C ont été obtenus en régime continu pour les lasers en bande C. A 70°C, les courants de seuil demeurent en dessous de 60 mA, ce qui traduit une très bonne tenue en température des lasers. L'ensemble de ces résultats valide la méthode d'intégration de III-V sur silicium.

This thesis focuses on the integration of III-V semiconductors on silicon. The objective is to process multi-wavelength laser sources emitting in the C-band for optical telecommunications. The process is based on the regrowth of a thick III-V structure on a thin InP layer bonded onto an oxidized silicon wafer (InP-SiO2/Si = InPoSi).In order to study the bonding process compatibility with high temperature annealing, around 600°C, required for MOVPE growth, a study of the thermal stability behavior of InPoSi substrate was carried out. The latter showed InPoSi delamination with ''bubble'' appearance due to the debonding of the InP layer caused by hydrogen desorption at 400°C. A study of the hydrogen lateral diffusion along the bonding interface enabled the assessment of a diffusion length of 100 µm. The development of outgassing trenches spaced 200 µm apart has permitted to obtain III-V material of high-quality regrown onto InPoSi without emergence of any void defect between the trenches.Then, the constant improvement of the preparation steps of the surfaces to be bonded enabled to obtain optimal material quality of InPoSi for regrowth at high temperature without the use of any outgassing method. The study of an active structure composed of AlGaInAs-based multi-quantum wells (MQWs) was carried out during growth on InPoSi. A thermal strain of 390 ppm was assessed at growth temperature thanks to real-time curvature measurement. The latter is due to the difference of thermal coefficients between InP and Si. Despite this thermal strain, the regrowth of a 3 µm-thick laser structure of high crystal quality was successfully obtained on InPoSi. Based on this structure, broad-area lasers were processed and their performance was compared to the ones obtained with the same component made on InP substrate as a reference. Threshold current densities as low as 0.4 kA/cm² at 20°C in pulse regime were obtained on InPoSi. The laser comparison on InPoSi and InP showed that threshold currents, laser efficiency and characteristic temperatures were similar. This result demonstrates that the thick structure grown on InPoSi does not suffer from material degradation.Finally, a new selective area growth (SAG) process was specifically developed on InPoSi. To do so, the silica from InPoSi was locally digged out by the etching of the InP layer in order to open the variable-sized dielectric surfaces for the SAG process. The thickness variation of the quantum wells obtained by SAG with the masks’ dimensions has enabled to obtain a very large photoluminescence wavelength extension, from 1490 to 1650 nm. Shallow-ridge Fabry-Pérot laser arrays were processed using SAG, and laser emissions covering a 155 nm-wide spectral range were successfully obtained. Threshold currents below 30 mA were obtained at 20°C under continuous-wave operation for 500 µm-long bars. At 70°C, threshold currents remain below 60 mA, which shows the high thermal stability of the lasers. Altogether, these results validate the III-V integration process on silicon.