Mathieu Rouvière Mathieu Halbwax, Eric Cassan, Daniel Pascal,

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







• Conclusion


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)


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


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


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







• Conclusion


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


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


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


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)







• Conclusion


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


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


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


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


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







• Conclusion


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


Photodétecteurs MSM de test

Caractérisations fréquentielles (Fc = 35 GHz)

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

500 nm

-2V

-2V

Épaisseur Ge = 310 nm


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

Documents

Mathieu Rouvière Mathieu Halbwax, Eric Cassan, Daniel Pascal,