1.6 Conclusion
2.1.3 D´ eformation uni-axiale dans des ponts de germanium et des
Une technique de transfert de contrainte par effet g´eom´etrique a permis de d´emontrer une d´eformation uniaxiale ´elev´ee de 3.1% [76] au Paul Scherrer
Insti-(a) (b)
Figure 2.4 – Illustration de dispositif de contrainte externe : (a) La membrane de germanium est contrainte par l’injection d’un gaz sous pression vers sa face arri`ere [74]. (b) Dispositif de Blister, une arriv´ee d’eau `a la face arri`ere la membrane de germanium d’´epaisseur 38 µm induit une d´eformation donc une contrainte en tension dans la membrane [75].
tut, et de 5.7% [77] `a l’universit´e de Stanford.
Le principe est de r´ealiser un motif de pont (ou poutre) suspendu `a partir d’une membrane germanium sur silicium initialement contrainte en tension `a 0.2%. La fi-gure 2.5a montre un aper¸cu du sch´ema de principe de la structure du pont. Le pont est la zone qui accumule un maximum de d´eformation de tension, il est ´etir´e par deux blocs de germanium relax´es.
L’ing´enierie de bande avec une d´eformation uniaxiale diff`ere d’une d´eformation biaxiale, dans la mesure o`u la valeur de la d´eformation uniaxiale n´ecessaire pour atteindre une bande interdite directe est de l’ordre du double d’une d´eformation biaxiale. Il est possible d’introduire une d´eformation uniaxiale avec une configura-tion de guide long (la m´ethode de transfert de d´eformation sera expliqu´ee dans la section 2.1.4). La figure 2.5 montre une repr´esentation de ces deux configurations. Dans le cas du pont, la d´eformation en tension s’effectue selon l’axe Y. La structure
Figure 2.5 – Sch´emas repr´esentatifs de a) une structure de poutre [77] b) guide long.
se contracte suivant la loi εxx = εzz = −νεyy, o`u ν est le coefficient de Poisson. La configuration de guide long pr´esente un d´eformation uniaxiale en tension selon l’axe X. La d´eformation est nulle selon l’axe Y εyy = 0 (car le guide est tr`es long par rapport `a sa largeur) et la d´eformation selon Z vaut εzz = −νεxx.
La figure 2.6 montre l’´evolution du d´ecalage d’´energie entre la vall´ee Γ et la vall´ee L pour cette configuration, dans le cas d’une bande interdite directe, ce d´ecalage vaut z´ero. La configuration de poutre demande une d´eformation uniaxiale de 4.3% pour atteindre une bande interdite directe, alors que pour un guide long une d´eformation de 3.2% est requise pour l’atteindre.
Ce fait peut ˆetre expliqu´e en consid´erant l’expression du d´ecalage entre la bande Γ et L avec le mod`ele k.p 30 bande [21]. En effet, la variation des ´energies des bandes Γ et L est proportionnelle `a la trace du tenseur de d´eformation i.e. ε = (εxx+ εyy+ εzz), et vu que εP ont < εGuide uniaxial la variation du d´ecalage EΓ− EL est plus rapide (en
consid´erant sa variation avec la d´eformation uniaxiale) pour un guide long que pour un pont et c’est ce que montre la figure 2.6.
Figure 2.6 – D´ecalage d’´energie entre la vall´ee Γ et la vall´ee L en fonction de la d´eformation uniaxiale pour les deux strat´egies : poutre et guide long.
La structure de pont est moins favorable en terme de structure de bande pour obtenir un effet laser qu’un guide ”standard” contraint, mˆeme si elle permet d’at-teindre des d´eformations uniaxiales records. Les dimensions de ces structures sont r´eduites car la base de ce fort transfert de contrainte est le facteur de forme entre deux structures qui lib`erent une contrainte. En l’occurrence la longueur de ce pont est de 4 µm [77] pour une largeur de 2 µm alors que pour une g´eom´etrie de guide long on peut r´ealiser des cavit´es Fabry-P´erot tr`es longues (quelques millim`etres) et
favoriser le gain optique.
Une autre limitation de ces structures r´eside dans la qualit´e de l’interface germa-nium/silicium. Les dislocations `a cette interface peuvent engendrer la cassure de la poutre. En l’occurrence, pour atteindre la d´eformation record de 5.7%, l’interface germanium/silicium a ´et´e ´elimin´ee en r´ealisant un collage du germanium et aboutir `
a une structure GOI (Germanium on Insulator).
L’int´erˆet de transf´erer la contrainte en tension au germanium est de d´emontrer un laser qui soit int´egrable en plateforme C-MOS. Les m´ethodes pr´esent´ees ci-dessous (outre la croissance sur substrat silicium) sont difficilement exploitables sur une pla-teforme C-MOS, outre le fait que dans l’essentiel de ces m´ethodes permettant d’intro-duire des d´eformations en tension record, la r´ealisation d’une cavit´e optique germa-nium avec une ´epaisseur suffisante pour confiner un mode optique et une g´eom´etrie de cavit´e optique est un v´eritable d´efi.
Le tableau 2.1 montre une r´ecapitulation des m´ethodes pr´esent´ees.
M´ethode R´ef´erence D´eformation en tension Confinement optique Epitaxie sur Si Liu et al. [24] 0.25% biaxiale Oui
MEMS Sanchez-Perez et al. [74] 2% biaxiale Non Bridge Sukhdeo et al. [77] 5.7% uniaxiale Non Bridge S¨uess et al. [76] 3.1% uniaxiale Non Epitaxie sur InGaAs Huo et al. [72] 2.33% biaxiale Non Epitaxie sur InGaAs de Kersauson et al. [69] 0.75% biaxiale TE0uniquement
Table 2.1 – R´ecapitulation des m´ethodes d’introduction de contraintes en tension dans une couche de germanium dans l’´etat de l’art.
Introduire de fortes contraintes susceptibles de cr´eer un milieu `a gain dans le germanium est possible, mais d´emontrer un effet laser est un probl`eme pluri-param´etrique qui requiert l’introduction de ce milieu `a gain dans une cavit´e, et un dimensionnement qui garantit un transfert homog`ene de contrainte.
J’in-troduis dans la suite une m´ethode de transfert de contrainte qui est compatible avec cet environnement.