Mathieu Rouvière Mathieu Halbwax, Eric Cassan, Daniel Pascal,
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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
11/05/2005 Mathieu Rouvière (ST/IEF) 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
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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
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• 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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• 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
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• 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