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
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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Interconnexions optiques intra-puce sur SOI ‘Optical interconnects are considered a possible option for replacing the conductor/dielectric system for global interconnects.’ ITRS interconnect 2003 Photodétecteurs Source externe Modulateur de lumière Un lien optique comprend : une source, un modulateur de lumière, une distribution de lumière guides optiques, virages, diviseurs des photodétecteurs 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Guide d’onde SOI Pertes de propagation expérimentales < 0,4 dB∙cm-1 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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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 : 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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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 Si Ge 875 nm Si 875 nm Images en microscopie électronique en transmission Avec cycles thermiques 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Absorption du Ge 1310 nm 1550 nm 50 nm 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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Influence des recuits Images en microscopie électronique en transmission Ge sans traitement : Bonne absorption Dislocations émergeantes 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 avec un recuit constant 720°C/1h : Réparation des défauts Bonne absorption Épaisseur de Ge ~ 500 nm 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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) 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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Injection de la lumière issue des microguides d’onde SOI Couplage en bout Couplage vertical Champ électrique FDTD 3D (ISE TCAD) Longueur d’absorption < 4 µm SiO2 Si Ge Optimisation de l’épaisseur pour minimiser la longueur d’absorption 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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 longueur = 7 µm 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Configurations électriques 1 µm 380 nm MSM à contacts en surface P+ N+ i 1 µm 380 nm PIN latérale 1 µm 380 nm Guide d’onde SOI P+ N+ i 3 µm 280 nm PIN verticale i 1 µm 380 nm MSM latéral 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Mathieu Rouvière (ST/IEF) 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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
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Courant d’obscurité des MSM Mesure 4 pointes: ρ ≈ 0.4 Ω.cm Hauteur de barrière: Φ ≈ 0.4 eV V I Jonction Schottky en direct (Φ) R = D * L * ρ Jonction Schottky en inverse (Φ) 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Photodétecteurs MSM de test Caractérisations impulsionnelles ( ~ 5 ps -> Fc ~ 32 GHz) -2V 500 nm -2V Caractérisations fréquentielles (Fc = 35 GHz) Épaisseur Ge = 310 nm 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)
Mathieu Rouvière (ST/IEF) 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 11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF)