Elaboration et caractérisation de couches de germanium épitaxié sur silicium pour la réalisation d'un photodétecteur en guide d'ondes

Optical interconnects is a possible solution to solve the bottleneck of metallic interconnects in microelectronic chips. The aim of this thesis is to realize integrated Ge photodetectors in submicron SOI waveguides and more precisely the determination of an experimental protocol for the selective growth of thin relaxed Ge films on Si (001) by UHV-CVD technique. For optical interconnect applications, the Ge layers must exhibit a good crystalline quality within their whole thickness, an optical absorption coefficient at 1300 nm close to the Ge bulk one, and a weak surface roughness. To fulfill these criteria, the plastic relaxation process must be favored in order to occur within a Ge thickness as low as possible. As shown through the measurement in real time by electron diffraction of the film lattice parameter, this can be achieved at low growth temperature (330°C) after deposition of 16 nm. The low temperature film stabilizes for 30 nm and enables the re-growth of Ge at higher temperature (600°C) without roughening. The increase in growth temperature results in a much higher growth rate, in a drastic improvement in crystalline quality and in a fully relaxed material. The cooling down to room temperature induces a thermal tensile strain. The resulting gap reduction yields to increase the absorption threshold wavelength.The selective growth has also been obtained in SiO2/Si windows and on etched Si lines on SOI substrate using the Ge growth protocol. This thesis work has demonstrated the possibility to use Ge to realize integrated photodetectors on submicron SOI waveguides.Pour pallier la limitation des interconnexions métalliques dans les circuits intégrés CMOS, une des solutions envisagées est d'introduire des interconnexions optiques. L'objet de cette thèse était la réalisation de photodétecteurs Ge intégrés en bout de guides d'onde sur substrats silicium sur isolant (SOI). Le travail a porté principalement sur la mise au point d'un protocole expérimental pour l'épitaxie sélective par UHV-CVD de couches minces de Ge relaxé, présentant un minimum de défauts cristallins sur toute leur épaisseur, une faible rugosité de surface et une absorption optique à 1300 nm proche de celle du Ge massif. Pour satisfaire ces conditions, il est nécessaire de favoriser la relaxation plastique de la couche de Ge sur une très faible épaisseur. A basse température de croissance (330°C), l'observation en temps réél par diffraction électronique montre que la relaxation peut être achevée après dépôt de 16 nm. Cette couche s'avère stable dès environ 30 nm et permet la reprise d'épitaxie de Ge à haute température (600°C). Cette augmentation de température améliore la qualité cristalline, élève la vitesse de croissance et mène à un matériau totalement relaxé. Le retour à température ambiante provoque le développement d'une contrainte en tension. L'abaissement de la bande interdite qui en résulte élève le seuil d'absorption en longueur d'onde. Enfin, ce procédé a été réalisé dans des cuvettes de SiO2/Si et des plots de Si gravés dans du SOI. Une parfaite sélectivité de la croissance est alors obtenue, démontrant ainsi la possibilité d'intégration de photodétecteurs à l'extrémité de microguides d'ondes SOI

Déflecteur optique pour la réalisation d'un convertisseur analogique-numérique à grande bande passante Principe de fonctionnement du convertisseur analogique-numérique tout optique

National audienceUn concept original de convertisseur analogique-numérique tout optique à grande bande passante repose sur l’utilisation d’un composant d’optique intégrée spécifique consistant en un déflecteur électro-optique hors-plan 1. Celui-ci convertit l’amplitude d’une tension appliquée à ces bornes en une déflexion proportionnelle du faisceau optique défléchi. La technologie retenue pour la fabrication de ce composant utilise les matériaux polymères. Nous présentons ici la mise en place de cette technologie ainsi que son application à la réalisation du déflecteur. De premiers résultats de propagation optique au sein d’un guide ainsi réalisé sont aussi présentés

Transition coplanaire-microruban ultra-large bande pour la caractérisation de composants opto-hyperfréquence

GDR Ondes, 17-18 janvier 2013, Grenoble, FranceNous présentons une transition coplanaire-microruban (CPW-MS) réalisée sur un matériau diélectrique de type benzocyclobutène (BCB) en couche mince, couramment utilisé en microélectronique. Cette transition, réalisée sans via ni structuration du plan de masse inférieur, simplifie la fabrication des dispositifs opto-hyperfréquences réalisés à partir de matériaux en couche mince et dont le signal est véhiculé par une ligne microruban. C’est le cas, en particulier, des modulateurs électro-optiques à ondes progressives fabriqués sur matériau polymère. Cette transition présente une bande passante expérimentale supérieure à 75 GHz avec une fréquence de coupure basse de seulement 1 GHz

Etude et réalisation d’une transition GCPW-MS-GCPW avec via-hole sur couche mince en polymère

National audienc

40 GSPS All Optical ADC with ENOB of 6.6 using EO Polymer Optical Deflector and Spatial Quantizer

International audience40GSPS analog-to-digital converters (ADC) arerequired for realization of digital receivers up to 20GHz. An alloptical ADC is presented using an optical deflector for spatialsampling. The optimized design of optical deflector is based onoptical beam propagation and finite element modelingelectromagnetic modeling. An effective number of bits (ENOB) of6.6 ADC is achieved under a ±20V RF voltage swing and byminimalizing angular resolution with a leaky waveguide of 2cmlong. Design and implementation of a polymer waveguide arepresented, meeting the leaky waveguide coefficient of 0.1Np/cmand low optical attenuation with quality optical waveguidesurface flatness better than 20nm. A broadband (2 - 40GHz)transition from coplanar waveguide (CPW) to coupled microstrip(CMS) transmission lines is presented that overcomes the RFattenuation to achieve under 0.06Np/cm variation by using a preemphasisfilter with a flat group delay of less than 70ps

A new method of dielectric characterization using a genetic algorithm and a coplanar waveguide on bilayer films

International audienceFine characterization of the dielectric properties (r and tanδ) of materials in the microwave, and above, domain is a mandatory step to optimize the performance of components working in this frequency range. When reaching the millimeter frequency range, the conventional parallel plate condenser technique shows its limits by the increasing part of parasitic in the measurement data that makes their de-embedding much more complex. Characterization techniques based on resonant cavity or microring resonator can then be used but they rely on complex fabrication and analytical de-embedding processes. Moreover their validity domain rarely exceeds a few tens of GHz. Using techniques based on propagation lines allows then to overcome this limitation since the material complex permittivity plays a determinant role in their propagation characteristics; those being easily measured using microwave probe stations. Microstrip or (grounded) coplanar waveguide, (G)CPW, lines, for example, can then be designed and measured up to 100 GHz of bandwidth. A novel method to characterize polymer materials has then been built on such a concept [4], it was used with a bandwidth of approximately 40 GHz.We are currently working on a further development of this technique that is now applied to bi-layer dielectric films. Indeed adding a top layer of known material on the unknown material film to be characterized can help to protect the latter from different technological processes that can be aggressive (for example, lithography processes are, for most of polymers, incompatible because of the photoresist solvent). GCPW lines are characterized by their S- parameters in the 450 MHz to 110 GHz bandwidth measured using a vector network analyzer (VNA). Those data are used as reference for a genetic algorithm (GA) which generates r and tanδ. The algorithm offers a good compromise between de-embedding accuracy and time of calculation.This paper will present the details of this determination process. First of all, we will discuss how this solution works and show that the only limitation is the actual bandwidth of the probes used for different VNAs. In a second time, we will show the different advantages of this method, they have been slightly presented earlier but we will advance them more clearly. Finally, we will show the results of characterization on a well-known material, the Benzocyclobutene (BCB), in our case, the GA returns us the couple r and tanδ respectively equal to 2,77 and 7x10−3 which is in good agreement with literature

Kinetics of the heteroepitaxial growth of Ge layer at low temperature on Si(001) in UHV-CVD.

The Ge growth at 330 °C by ultrahigh vacuum chemical vapour deposition is investigated in real time by reflection high energy electron diffraction (RHEED) in combination with atomic force microscopy and Rutherford back scattering spectrometry (RBS). The Stranski-Krastanov-related 2D to 3D transition is avoided at low temperature and the major part of the relaxation process occurs during the deposition of the first two monolayers. The very low growth rate observed during this first step is related to the deposition of Ge on Si. Beyond 2 deposited MLs, the growth rate increases drastically due to a complete coverage of Si by Ge. Finally, the deposition of Ge at 330 °C results in an in-plane lattice parameter approaching 90% of that of Ge bulk and a flat surface with rms roughness of 0.6 nm for a film thickness lower than 30 nm

Premiers résultats de l'étude d'un déflecteur électro-optique sur polymères en vue de la réalisation d’un convertisseur analogique numérique tout-optique

National audienceDepuis ces deux dernières décennies, le perfectionnement des dispositifs électroniques ainsi que l’explosion des moyens de radiocommunications ont renforcé l’intérêt pour les convertisseurs analogique-numérique (CANs). Les CANs sont vite devenus des composants incontournables tant on cherche à numériser tout type de données pour tirer parti des performances du traitement numérique. Les dispositifs où les CANs jouent un rôle déterminant peuvent apparaître dans des domaines aussi variés que les communications satellites, les réseaux téléphoniques, la radio logicielle (SDR Software Defined Radio) et le domaine biomédical. La demande toujours plus grande en termes de rapidité d’échantillonnage et de traitement de très larges bandes passantes pousse le monde de la recherche et de l’industrie à développer de nouvelles techniques de conversion toujours plus performantes, notamment la conversion analogique numérique tout optique qui permet de s’affranchir des barrières fixées par l’électronique classique.Le travail présenté ici s’inscrit alors dans le contexte du développement d’un tel AOADC (All-Optical Analog to Digital Converter) ayant pour but, in fine, d’atteindre un taux d’échantillonnage de 40 Géch/s et une résolution de 6 bits. Il exploite les propriétés des matériaux polymères électro-optiques ainsi que celles des MLLs (Mode-Locked Laser) permettant, respectivement, de traiter des bandes passantes atteignant une centaine de GHz et d’obtenir des valeurs de gigue temporelle très faibles, de 1 voire 2 ordres de grandeur inférieurs à celles des horloges électroniques

Epitaxial growth of Ge on a thin SiO2 layer by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition

International audienceIn this work, the growth of germanium by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition on a 0.6nm thick SiO2 layer formed on Si(0 0 1) is investigated by in situ reflection high-energy electron diffraction, high-resolution transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and micro-Raman spectroscopy. Because Ge does not grow from germane on SiO2, nucleation sites were created by exposure of the surface to SiH4 at 650 degrees C prior to the Ge deposition, which is initiated at 600 degrees C. The first stage of Ge growth proceeds via the formation of dots that exhibit the same crystalline orientation as the Si substrate. They are assumed to grow from small apertures opened in the silica layer due to the reduction of SiO2 by Si. For further deposition time, \1 1 1\- and \1 1 3\-facetted Ge crystals are formed and the growth remains monocrystalline. The so-formed Ge crystals are found to be completely relaxed and contain some emerging defects, identified as stacking faults. No misfit or threading dislocations are observed. Consequently, the interface between Ge and the SiO2 layer remains perfectly sharp and free of defects. This relaxation without misfit dislocation is due to SiO2 layer which acts as a buffer layer that prevents the Si substrate from imposing its lattice parameter on the Ge crystal. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved