Integration of Germanium-Tin Membranes for Mid-Infrared Silicon Photonics

L’essor de la photonique sur silicium (Si) a révolutionné les télécommunications, répondant à la demande croissante de transmission de données à haute vitesse et à faible consommation énergétique. Les circuits photoniques intégrés (PICs – photonic integrated circuits) exploitent la transparence du Si aux longueurs d’onde des télécommunications (1260–1625 nm) ainsi que la fabrication à grande échelle rendue possible par l’infrastructure CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Cependant, l’intégration de dispositifs actifs, comme les lasers et les photodétecteurs, demeure un défi en raison du gap indirect du Si, limitant son efficacité en émission et en détection de lumière. Parmi les solutions alternatives, les alliages de germanium-étain (Ge1−xSnx ou GeSn) suscitent un intérêt croissant, car l’incorporation d’atomes d’étain (Sn) dans le réseau cristallin du Ge permet une transition d’un gap indirect à un gap direct lorsque la concentration de Sn dépasse environ 8 at.%. Une augmentation de la teneur en Sn permet également de ré-duire l’énergie de gap, rendant possible l’opération dans l’infrarouge moyen (2–8 µm), une gamme d’intérêt pour des applications telles que la détection spectroscopique, la surveillance environnementale et les communications optiques. Contrairement aux matériaux III–V ou II–VI, le GeSn peut être intégré de manière compatible avec le Si via la déposition chimique en phase vapeur (CVD – chemical vapor deposition), permettant une fabrication extensible et rentable. Cette thèse explore l’intégration des alliages GeSn comme matériau actif pour la photonique sur silicium. Malgré son potentiel, l’intégration du GeSn est entravée par des défis de croissance, notamment une faible solubilité du Sn dans le Ge (inférieure à 1%) et une différence significative des rayons atomiques entre le Ge et le Sn (14,7 %), qui induit des contraintes compressives générant des défauts de matériau et limitant la faisabilité de l’intégration mono-lithique avec la photonique sur silicium. Pour surmonter ces obstacles, des membranes en GeSn sont étudiées comme plateforme pour une intégration hétérogène du matériau. Ces membranes, fabriquées à partir de couches minces de GeSn déposées sur silicium avec une couche tampon de Ge, sont sélectivement sous-gravées et transférées sur des substrats alternatifs à l’aide d’une technique optimisée basée sur l’impression par transfert. Les membranes contenant 11 at.% de Sn présentent une longueur d’onde de coupure étendue à 3,1 µm, offrant une large gamme d’opérations pour plusieurs applications, notamment en détection spectroscopique.

Abstract

The rise of silicon (Si) photonics has revolutionized telecommunications, addressing the grow-ing demand for high-speed and energy-efficient data transmission. Photonic integrated cir-cuits (PICs) leverage Si’s transparency at telecommunications wavelengths (1260–1625 nm) and the scalability of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication pro-cesses. However, integrating active devices such as lasers and photodetectors remains chal-lenging due to Si’s indirect bandgap, which limits its light emission and detection efficiency. To overcome these limitations, group-IV semiconductor alloys such as germanium-tin (Ge1−xSnx or GeSn) have garnered interest, as the incorporation of tin (Sn) into the Ge lattice leads to a transition from an indirect to a direct bandgap when the Sn content exceeds approximately 8 at.%. Increasing the Sn content also enables operation in the mid-infrared range (2–8 µm), relevant for applications such as spectroscopic sensing, environmental monitoring, and data communication. Unlike III–V or II–VI materials, GeSn alloys can be grown on Si using chemical vapor deposition (CVD), enabling scalable and cost-effective device fabrication. This thesis has the primary goal to investigate the integration of GeSn alloys as an active material for silicon photonics. Despite its potential, GeSn integration faces significant chal-lenges, including low Sn solubility in Ge (below 1%) and a 14.7% atomic radius mismatch, which induces compressive strain, leading to defects and hindering monolithic integration with Si photonics. To overcome these downsides, GeSn membranes are studied as a platform for heterogeneous integration of the material. These membranes, fabricated from GeSn lay-ers grown on silicon with a Ge buffer layer, are selectively underetched and transferred to alternative substrates using an optimized approach based on transfer printing. Membranes with 11 at.% Sn exhibit a cutoff wavelength extended to 3.1 µm. Their integra-tion potential is evaluated through numerical simulations assessing coupling efficiency and photodetection performance on silicon-on-insulator (SOI) and germanium-on-silicon (GOS) waveguides. A proof-of-concept demonstration shows the integration of Ge0.89Sn0.11 mem-branes with SOI waveguides to fabricate waveguide-coupled mid-infrared detectors, achieving a responsivity of up to 361 mA/W at 2.33 µm. Multiple devices are fabricated in a single transfer-printing step, demonstrating the scalability of the approach. This work offers several novel contributions, including the optimization of transfer printing for strain-relaxed GeSn membranes, a methodology for the systematic numerical investi-gation of the coupling efficiency in different integration scenarios, and a scalable solution for integrating GeSn into silicon photonics for mid-infrared applications.