Mathieu Rouvière Mathieu Halbwax, Eric Cassan, Daniel Pascal,

1. Étude de photodétecteurs en germanium épitaxié sur SOI pour les interconnexions optiques intra-puce Mathieu Rouvière Mathieu Halbwax, Eric Cassan, Daniel Pascal, Laurent Vivien, Suzanne Laval, Paul Crozat, Juliette Mangeney Jean-Michel Hartmann, Jean-François Damlencourt et Jean-Marc Fédéli

2. Plan de la présentation • Interconnexions optiques intra-puce • Propriétés du Ge sur Si pour la photodétection • Optimisation du photodétecteur intégré • Résultats sur des photodétecteurs non-intégrés • Conclusion Mathieu Rouvière (ST/IEF)

3. Plan de la présentation • Interconnexions optiques intra-puce • Propriétés du Ge sur Si pour la photodétection • Optimisation du photodétecteur intégré • Résultats sur des photodétecteurs non-intégrés • Conclusion Mathieu Rouvière (ST/IEF)

4. Les interconnexions métalliques 100 10 1 0.1 Gate Delay Metal 1 (Scaled) Global with Repeaters Global w/o repeaters Retards relatifs 250 180 130 90 65 45 32 Noeud technologique (nm) ITRS 2003 Le délai RC augmente de manière significative avec les nœuds technologiques Mathieu Rouvière (ST/IEF)

5. Source externe Modulateur de lumière Photodétecteurs Interconnexions optiquesintra-puce sur SOI ‘Optical interconnects are considered a possible option for replacing the conductor/dielectric system for global interconnects.’ ITRS interconnect 2003 • Un lien optique comprend : • une source, • un modulateur de lumière, • une distribution de lumière • guides optiques, • virages, • diviseurs • des photodétecteurs Mathieu Rouvière (ST/IEF)

6. Guide d’onde SOI Guide d’onde SOI en arête Intensité du mode optique guidé (Film Mode Matching Method) λ = 1,3 µm Pertes de propagation expérimentales < 0,4 dB∙cm-1 Mathieu Rouvière (ST/IEF)

7. Distribution de lumière 1 vers 16 Distribution en H avec des micro-guides d’ondes en arête : • Longueur = 1 cm, 4 diviseurs compacts, 6 miroirs sur chaque branche • Puissance de sortie compatible avec les spécifications de la photodétection Image infra-rouge Projet RMNT INOPCIS : Mathieu Rouvière (ST/IEF)

8. Plan de la présentation • Interconnexions optiques intra-puce • Propriétés du Ge sur Si pour la photodétection • Optimisation du photodétecteur intégré • Résultats sur des photodétecteurs non-intégrés • Conclusion Mathieu Rouvière (ST/IEF)

9. Ge 875 nm 875 nm Si Si Épitaxie de germanium sur silicium • Différence de paramètre de maille entre Si et Ge : 4,2 % Épaisseur critique ≈ 1 nm • Croissance en deux temps: • Couche tampon basse température (30 nm à 330°C) • Couche haute température (300 nm – 1,7 µm à 600°C) • Traitement thermique : • 10 *(750°C/10 min + 870°C/10 min) ou 720°/1h Images en microscopie électronique en transmission Avec cycles thermiques Mathieu Rouvière (ST/IEF)

10. 50 nm 1310 nm 1550 nm Absorption du Ge Source large bande Échantillon Analyseur de Spectre optique Décalage de la bande interdite directe d’environ 25 meV cohérent avec la contrainte en tension dans la couche Mathieu Rouvière (ST/IEF)

11. Influence des recuits Images en microscopie électronique en transmission • Ge avec cycles thermiques • 10*(750°C/10min+870°C/10min) : • Localisation des défauts • à l’interface Si/Ge • Diffusion du Si dans le Ge • (chute de l’absorption) • Ge sans traitement : • Bonne absorption • Dislocations émergeantes • Ge avec un recuit constant • 720°C/1h : • Réparation des défauts • Bonne absorption Épaisseur de Ge ~ 500 nm Mathieu Rouvière (ST/IEF)

12. Mesure de mobilité par effet Hall • Deux niveaux de lithographie • Lift-off Ti/Au • Gravure du Ge (RIE) • Épaisseur de Ge : 310 nm Motifs de Van der Pauw P-type Ge de type P (6.1015-1.1016) Mobilité des trous ~ 1300 V.cm-2.s-1 M. B. Prince : Drift Mobilities in Semiconductors. I. Germanium Physical Review 92, 681-687 (1953) Mathieu Rouvière (ST/IEF)

13. Plan de la présentation • Interconnexions optiques intra-puce • Propriétés du Ge sur Si pour la photodétection • Optimisation du photodétecteur intégré • Résultats sur des photodétecteurs non-intégrés • Conclusion Mathieu Rouvière (ST/IEF)

14. SiO2 SiO2 Ge Ge Si Si SiO2 SiO2 Longueur d’absorption < 4 µm Injection de la lumière issue des microguides d’onde SOI Couplage vertical Couplage en bout Champ électrique FDTD 3D (ISE TCAD) Optimisation de l’épaisseur pour minimiser la longueur d’absorption Mathieu Rouvière (ST/IEF)

15. longueur = 7 µm Injection de la lumière issue des microguides d’onde SOI Puissance optique calculée par FMM (PhotonDesign) en fonction de la longueur et de l’épaisseur du film de germanium Mathieu Rouvière (ST/IEF)

16. 1 µm 380 nm i P+ N+ 1 µm PIN latérale 380 nm 1 µm 1 µm 3 µm Guide d’onde SOI N+ 380 nm i 380 nm i 280 nm i P+ MSM à contacts en surface MSM latéral PIN verticale Configurations électriques Mathieu Rouvière (ST/IEF)

17. Temps de collection des porteurs Impulsion courte (1 ps) Vpolarisation = - 1 V FWHM = 10.8 ps FWHM = 7.8 ps FWHM = 7.6 ps FWHM = 4.2 ps ISE TCAD Mathieu Rouvière (ST/IEF)

18. Capacité Capacité de jonction : dispositifs de 7 µm de long, polarisés sous -1V Charge 50 Ω  RC RC ~ 0,5 ps RC ~ 18 fs ISE TCAD Mathieu Rouvière (ST/IEF)

19. Plan de la présentation • Interconnexions optiques intra-puce • Propriétés du Ge sur Si pour la photodétection • Optimisation du photodétecteur intégré • Résultats sur des photodétecteurs non-intégrés • Conclusion Mathieu Rouvière (ST/IEF)

20. I V Courant d’obscurité des MSM Mesure 4 pointes: ρ ≈ 0.4 Ω.cm Hauteur de barrière: Φ ≈ 0.4 eV Jonction Schottky en direct (Φ) R = D * L * ρ Jonction Schottky en inverse (Φ) Mathieu Rouvière (ST/IEF)

21. Photodétecteurs MSM de test Caractérisations impulsionnelles ( ~ 5 ps -> Fc ~ 32 GHz) -2V 500 nm -2V Caractérisations fréquentielles (Fc = 35 GHz) Épaisseur Ge = 310 nm Mathieu Rouvière (ST/IEF)

22. Conclusion • Couches de Ge épitaxiées sur Si de bonne qualité pour la photodétection • Optimisation optique et électrique du photodétecteur intégré • Caractérisations de photodétecteurs non-intégrés : Fc = 35 GHz • Caractérisations de photodétecteurs intégrés en cours Mathieu Rouvière (ST/IEF)