Non-Equilibrium Germanium-Tin Microstructures for Silicon-Compatible Mid-Infrared Photonics

Le développement rapide de l'informatique et des technologies de la communication a eu un impact majeur sur l'économie et la société en général. Il n'a jamais été aussi facile d'échanger un message ou de discuter avec un proche habitant de l'autre côté de la planète. De plus, les nouveaux outils technologiques bousculent l'organisation du travail et ceux-ci sont à l'origine de ce qu'on a appelé la quatrième révolution industrielle, ou l'industrie 4.0. Toutefois, la croissance exponentielle du trafic Internet est la source de sérieux enjeux au niveau énergétique. En effet, la demande d'électricité liée au secteur des technologies de l'information et de la communication représentera à elle seule 21 de la demande au niveau mondial en 2025. Pour remédier à ce problème et réduire l'impact environnemental des centres de données, la photonique intégrée sur silicium représente une solution prometteuse. En effet, contrairement au mouvement des électrons impliquant l'effet Joule, le déplacement de photons ne génère pas de chaleur. Or, le silicium qui est à la base de toute l'électronique moderne ne possède pas de bande interdite directe, le rendant inefficace pour absorber ou émettre de la lumière. En raison de leur bande interdite directe, les alliages semiconducteurs du groupe IV tels que le germanium-étain (GeSn) sont le sujet d'un vif intérêt scientifique pour relever le défi de l'intégration de circuits photoniques sur une plateforme de silicium. Le GeSn devient un semiconducteur à bande interdite directe pour des concentrations d'étain supérieures à 10 at., mais cette valeur est plus élevée lorsque le matériau est soumis à une contrainte en compression. Étant donné le rôle central que jouent la contrainte et la composition chimique au niveau de la structure de bande du GeSn, il importe de mesurer ces paramètres avec précision au niveau micrométrique. Pour cette raison, une étude de spectroscopie Raman détaillée a été menée. L'utilisation d'un laser avec une longueur d'onde de 633nm a permis d'identifier les modes Ge-Ge, Ge-Sn, "Sn-Sn like" ainsi qu'un mode supplémentaire activé par le désordre. En analysant quatorze échantillons crûs par dépôt chimique en phase vapeur et présentant une large gamme de concentrations et de contraintes, il a été possible d'isoler l'impact de ces deux paramètres sur l'énergie des modes de vibration Raman. Notamment, le nombre d'onde des quatre modes diminue pour des concentrations croissantes ou des contraintes en compression moindres. De plus, le mode Ge-Ge devient plus asymétrique pour des teneurs en étain plus élevées, alors que la contrainte n'a pas d'effet notable. Ces observations ont permis d'élaborer un modèle pour extraire la concentration en étain et la contrainte de couches ou de microstructures de GeSn à partir d'un unique spectre Raman.