Description du sujet de thèse

L'ambition du projet de thèse est de fournir une brique de base technologique pour la détection et l’imagerie infra rouge à base de GeSn un matériau semi-conducteur compatible avec les procédés bas coût de l’industrie du silicium et dont l’énergie de bande interdite est réduite par rapport à celles du Si et du Ge.
Grâce aux alliages GeSn, les démonstrateurs se concentreront sur la détection infrarouge autour de 2 µm-5 µm de longueur d’onde, une gamme qui ne peut être couverte avec la filière silicium actuellement (Si,Ge,SiGe). Des applications de spectroscopie de laboratoire sur puce, de biodétection, de détection de gaz et de liquides, de suivi de la pollution sont envisagées, avec la possibilité d'intégrer l'ensemble des circuits photoniques du groupe IV dans des objets interconnectés. Ceci ne sera possible qu’en développant des composants bas coût et la gamme IR 2-5 µm. cette gamme ne peut être adressée que par des technologies de niche beaucoup plus coûteuses et difficiles à intégrer dans une chaîne de fabrication silicium, en l’occurrence les technologies dans la filière d’antimoniure (InSb, GaSb etc…). Une technologie employant les composés GeSn représentera par contre une percée majeure et un avantage décisif pour les applications en plein essor de la photoniques silicium. Cette technologie devrait permettre d’élargir les possibilités de détection à faible coût, pouvant être déployé sur de grand volume dans des objets portatifs. Les matériaux GeSn seront soit élaboré au C2N soit via des partenariats existants avec le C2N au niveau européen (CEA-France, Juelich-Allemagne).


Un fort intérêt pour le GeSn se présente également pour la possibilité d’obtenir un alignement direct de la bande interdite, permettant ainsi d’obtenir un effet de gain optique dans un laser, chose impossible avec du Ge ou silicium ainsi qu’avec les alliages SiGe. L’équipe du C2N effectue depuis un certain nombre d’année des recherches en vue de réaliser des sources laser compatible avec la filière silicium en utilisant l’alliage du Ge avec Sn et l’ingénierie de contrainte afin optimiser la structure de bande interdite et les propriétés de gain optique. Cette technologie laser bas coût, n’est apparue que récemment (première publication en 20151 à des températures de fonctionnement inférieure à 100 K) grâce à l’utilisation d’alliage GeSn et à l’ingénierie de contrainte en tension.2 Lors d’un précédent projet soutenu par l’apport IPCEI-Nano 2022 en collaboration avec STMicroelectronics l’équipe du C2N a pu démontrer pour la première fois l’effet laser jusqu’à la température ambiante à 300K.5 Pour y parvenir une technologie de report spécifique de la couche active de GeSn sur isloant (GeSnOI)6 a été nécessaire.

Contexte de travail

Le doctorant effectuera de premières études de conceptions et design de dispositifs pour la détection à incidence normale à la couche active sur substrat silicium. Des approches mettant en oeuvre des effets de renforcement du champ optique par résonance électromagnétique seront exploitées dans des structures en cavité verticale Metal-semiconducteurs-Metal (MIM). De premiers démonstrateurs expérimentaux seront réalisés grâce aux moyens de micro-nano-Fabrication du C2N. Un deuxième volet de la thèse portera sur l'intégration de tels détecteurs sur des puces photoniques moyen -infrarouge. Il s'agira de proposer et de réaliser un système de détection dans une approche intégrée combinant la source les guides d'ondes et le détecteur.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Les travaux ont un caractère fortement expérimental s'appuyant sur les outils de microNanoFabrication de la salle blanche. Cet environnement de salle blanche est très exigeant en terme de motivation et d'implication de la part du doctorant.