Optical nonlinearities in III-V-on-Si active nanostructures

Nonlinearités optiques dans les nanostructures actives en semiconducteur III-V sur silicium La thèse se concentre sur la démonstration d'un nouveau type de diodes laser à microdisque hybrides III-V-sur-SOI, visant une faible consommation énergétique et une taille reduite pour surmonter les limitations des interconnexions électriques et pour une utilisation dans des applications neuromorphiques tout-optique. La première partie de la thèse traite de la conception du dispositif: des simulations FDTD sont réalisées pour évaluer le spectre et le facteur Q d'un microdisque de 3,75 µm de rayon, à la fois découplé et couplé à un guide d'onde SOI. La conception électrique de la jonction PIN avec région active à multi-puits quantiques est ensuite étudiée, et trois schémas d'injection différents sont comparés sur la base de la distribution du taux de recombinaison dans la structure. Des simulations FEM sont réalisées pour évaluer le taux de recombinaison optique et la caractéristique I(V) de la diode. Le courant de seuil pour le microdisque de 3,75 µm de rayon est ensuite estimé à l'aide des deux simulations afin d'évaluer le gain modal de la structure, qui quantifie le chevauchement entre le mode et le taux de recombinaison. Le modèle tient compte de la géométrie circulaire du microdisque et évalue le courant de seuil du laser à 240,4 µA. La section suivante porte sur la dérivation d'un modèle pour évaluer la modulation à petit signal du laser et sa fréquence à -3 dB, ainsi que sur une simulation numérique complète du microdisque pour tenir compte des deux modes de contre-propagation dans la cavité. La fabrication des dispositifs suit, basée sur le collage adhésif des sections III-V et SOI. La fabrication comprend des étapes successives de lithographie par faisceaux d'électrons et de gravure pour obtenir la cavité de la diode. Les contacts métalliques par dépôt de métal, et le contact ohmique est créé par recuit rapide. La surface du dispositif est passivée pour réduire la recombinaison de surface et encapsulée dans une couche d'oxyde de silicium. L'étape finale consiste à ouvrir des vias électriques à travers la couche d'oxyde de silicium et à effectuer un dépôt final de métal pour créer des pads métalliques, qui sont ensuite utilisés pour la caractérisation électrique. L'ensemble du processus est compatible avec le process CMOS back-end of line. La caractérisation des différents cycles de fabrication est ensuite effectuée considerant une injection électrique en courant continu. Après une première intégration de la couche III-V obtenue par épitaxie MBE sur une plaque de Si, les deux principales caractérisations ont concerné un échantillon MBE-sur-SOI et un échantillon MOCVD-sur-SOI. Le premier a rapporté un courant de seuil de 390 µA et 1,06 V (puissance injectée de 413,4 µW) pour le microdisque de 3,75 µm de rayon. L'échantillon MOCVD-sur-SOI a indiqué un fonctionnement à un courant injecté plus élevé avec un seuil de 1,35 mA. Le fonctionnement des microdisques MOCVD-sur-SOI sous injection optique externe est ensuite étudié. Un modèle est développé pour comprendre la physique du microdisque en régime d'injection-locking et pour évaluer sa réponse non linéaire. Le microdisque est ensuite caractérisé à une modulation de 10 kHz pour évaluer la réponse quasi-statique. Trois régimes différents sont évalués en fonction du désaccord: une réponse saturante, une réponse sigmoïde et une réponse bistable. Les puissances de commutation mesurées sont de l'ordre du µW. La dernière section du chapitre traite de la caractérisation de la réponse du microdisque à des taux de modulation plus élevés. Trois réponses différentes (Clipped GeLU, Inverse ELU et Sigmoïde) sont rapportées en fonction du désaccord en injectant un signal à 32 niveaux à un taux de modulation de 2 GBd. La partie finale est liée à l'optimisation de l'injection électrique des microdisques MOCVD-sur-SOI afin d'évaluer et de réduire les courants de fuite, qui sont considérés comme le principal phénomène dégradant les performances du laser sous injection de courant continu.