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.