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

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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

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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

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Les interconnexions métalliques

Le délai RC augmente de manière significative avec les nœuds technologiques

ITRS 2003

Gate Delay

Metal 1(Scaled)

Global with Repeaters

Global w/o repeaters

250 180 130 90 65 45 32

100

10

1

0.1R

eta

rds

rela

tifs

Noeud technologique (nm)

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Interconnexions optiquesintra-puce sur SOI

Photodétecteurs

Sourceexterne

Modulateur de lumière

Un lien optique comprend :• une source,• un modulateur de lumière,• une distribution de lumière

• guides optiques,• virages,• diviseurs

• des photodétecteurs

‘Optical interconnects are considered a possible option for replacing the conductor/dielectric system for global

interconnects.’ ITRS interconnect 2003

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Guide d’onde SOI

Intensité du mode optique guidé(Film Mode Matching Method)

Guide d’onde SOI en arête

Pertes de propagation expérimentales < 0,4 dB∙cm-1

λ = 1,3 µm

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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

Projet RMNT INOPCIS :

Image infra-rouge

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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

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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

Ge875 nm

Si

875 nm

Avec cycles thermiques

Images en microscopie électronique en transmission

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Absorption du Ge

Source large bande

Analyseur de Spectre optique

Échantillon

Décalage de la bande interdite directe d’environ 25 meVcohérent avec la contrainte en tension dans la couche

2

4

68

103

2

4

68

104

2

Ab

sorp

tion

(cm

-1)

170016001500140013001200Wavelength (nm)

563 nm Ge (AG) on Si 1167 nm Ge (AG)on Si 1688 nm Ge (AG) on Si Ge bulk from literature

1310 nm 1550 nm

50 nm

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Influence des recuits

Images en microscopie électronique en transmission

Épaisseur de Ge ~ 500 nm

Ge sans traitement :• Bonne absorption• Dislocations émergeantes

Ge avec cycles thermiques10*(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

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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

Mesure de mobilité par effet Hall

M. B. Prince : Drift Mobilities in Semiconductors. I. GermaniumPhysical Review 92, 681-687 (1953)

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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

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Champ électrique FDTD 3D (ISE TCAD)

Optimisation de l’épaisseur pour minimiser la longueur d’absorption

Couplage en bout Couplage vertical

Longueur d’absorption < 4 µm

SiO2

SiO2

SiO2

SiO2

Si SiGeGe

Injection de la lumière issue des microguides d’onde SOI

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Injection de la lumière issue des microguides d’onde SOI

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 5 10 15 20 25

200 nm310 nm420 nm

Nor

ma

lize

d ab

sorb

ed

pow

er

Photodetector length (µm)

Puissance optique calculée parFMM (PhotonDesign)

en fonction de la longueur et de l’épaisseur du film de germanium

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 100 200 300 400 500 600Nor

ma

lized

abs

orb

ed p

ow

er

Germanium thickness (nm)

longueur = 7 µm

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i

1 µm

380 nm

MSM à contacts en surface

P+ N+i

1 µm

380 nm

PIN latérale

i

1 µm

380 nm

MSM latéral

P+

N+

i

3 µm

280 nm

PIN verticale

Configurations électriques

1 µm

380 nm

Guide d’onde SOI

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Temps de collection des porteurs

8

6

4

2

0

Ph

oto

curr

en

t (µ

A)

50403020100Time (ps)

Surface contact MSM photodiode Lateral MSM photodiode Lateral PIN photodiode Vertical PIN photodiode

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

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Capacité

Capacité de jonction : dispositifs de 7 µm de long, polarisés sous -1V

Charge 50 Ω RC

RC ~ 18 fs

RC ~ 0,5 ps

ISE TCAD

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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

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Courant d’obscurité des MSM

Mesure 4 pointes: ρ ≈ 0.4 Ω.cm

Hauteur de barrière: Φ ≈ 0.4 eV

R = D * L * ρ

Jonction Schottky en direct (Φ)

Jonction Schottky en inverse (Φ)

V

I

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Photodétecteurs MSM de test

Caractérisations fréquentielles (Fc = 35 GHz)

Caractérisations impulsionnelles ( ~ 5 ps -> Fc ~ 32 GHz)

500 nm

-2V

-2V

Épaisseur Ge = 310 nm

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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