Rémy TRIBOUT's PhD thesis defence

Epitaxie de couches III-V sur Si pour la fabrication et la caractérisation de Photodiodes SWIR

Résumé :

Cette thèse, intitulée « Épitaxie de matériaux III-V sur Si pour la fabrication et la caractérisation de photodétecteurs SWIR », s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre STMicroelectronics, le Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM) et le CEA-Leti. Son objectif est de maîtriser l’intégralité de la chaîne de valeur des photodétecteurs unitaires, depuis la simulation des composants jusqu’à leur fabrication et leur caractérisation, en passant par l’étude de la croissance épitaxiale des empilements. Au coeur de ces travaux se trouve le développement d’un empilement III-V à base de puits quantiques d’InGaAs, conçu pour une détection optimale dans le domaine du SWIR (Short-Wave Infrared), centrée autour de 1,13 μm. Une attention particulière est portée à l’intégration d’une cavité résonnante, dont la conception permet d’ajuster finement la résonance optique à la longueur d’onde cible, améliorant ainsi l’efficacité de collecte des porteurs de charge.

Les simulations ont joué un rôle clé dans cette démarche. Elles ont d’abord permis de concevoir l’empilement et d’optimiser sa résonance pour la longueur d’onde visée. Parallèlement, des calculs de structure de bande et de fonctions d’onde ont permis d’évaluer l’efficacité de collecte de la structure proposée. Fort de ces résultats, l’empilement a ensuite été cru en épitaxie au LTM, avec une innovation majeure : l’intégration d’une zone active compensée en contrainte, essentielle pour limiter la relaxation des puits quantiques et préserver la qualité cristalline. Les structures obtenues, qu’il s’agisse de jonctions PIN ou de cavités résonnantes, ont été épitaxiées sur différents substrats (GaAs 100 mm, Ge 100 mm, Ge/Si 300 mm et Si 300 mm), offrant une comparaison systématique de leur influence sur les performances optoélectroniques. Cette diversité de substrats s’inscrit dans une logique d’intégration progressive vers le silicium, matériau de référence de l’industrie microélectronique.

Chaque croissance a été suivie d’une caractérisation approfondie, combinant des analyses structurales (AFM, DRX, TEM-EDX), chimiques (FIB-STEM) et optiques (PL). Les photodétecteurs correspondants ont ensuite été fabriqués au CEA-Leti, en salle blanche, sur des wafers de 100 mm de diamètre. Leur procédé de fabrication, structuré autour de quatre étapes de lithographie, inclut le dépôt des contacts supérieurs, la réalisation du mesa, la passivation des composants et le dépôt des contacts inférieurs. Plusieurs tailles de dispositifs (diamètres de 5 à 100 μm) ont été réalisées sur chaque wafer, afin d’étudier l’impact de la géométrie sur les performances.

Les caractérisations électriques et spectrales (mesures I-V, réponse spectrale) ont confirmé, sur substrat GaAs, la photodétection proche de la longueur d’onde cible, avec un courant d’obscurité de l’ordre de 10−7 A/cm2, comparable aux photodétecteurs InGaAs de la littérature. Ces résultats permettent d’établir un lien direct entre les performances électrooptiques, les choix technologiques (design de la cavité résonnante, type de substrat) et les conditions de croissance épitaxiale. Ils ouvrent ainsi la voie à l’optimisation des générations futures de dispositifs, en vue d’une intégration toujours plus performante sur silicium.

Membres du jury :

Thierry BARON, Directeur de Recherche, Université Grenoble Alpes  - Directeur de thèse

Ludovic DESPLANQUE, Professeur, Université de Lille - Rapporteur

Delphine MARRIS-MORINI, Professeur, Université Paris Saclay - Rapporteure

Ahmad BSIESY, Professeur, Université Grenoble Alpes - Examinateur

Gilles PATRIARCHE, Directeur de Recherche, Université Paris Saclay - Examinateur

Christophe JANY, Ingénieur Docteur, 3SP Technologies - Invité