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

Abstract

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