Lasers sur Silicium insensibles aux dislocations // Silicon lasers insensitive to dislocations

Les dispositifs optoélectroniques à base de semiconducteurs III-V sont traditionnellement fabriqués sur des substrats III-V, coûteux et composés de matières premières critiques. Le silicium (Si), abondant et déjà utilisé en microélectronique, pourrait remplacer ces substrats, favorisant une utilisation plus durable des matériaux III-V et la fabrication de puces photoniques intégrées. Cependant, la croissance épitaxiale des matériaux III-V sur Si génère une forte densité de dislocations (défauts cristallins), ce qui nuit aux performances et à la fiabilité des dispositifs.
Un projet précédent a exploré des techniques de filtrage pour réduire ces dislocations, mais les résultats restent insuffisants. L'objectif actuel est d'adopter un nouveau paradigme : concevoir des interfaces de piégeage au sein du dispositif pour minimiser la longueur des dislocations en contact avec les couches actives et empêcher la formation de nouveaux segments pendant le fonctionnement. Ces interfaces, composées de couches nanométriques, seront optimisées pour améliorer le piégeage tout en préservant les propriétés électroniques et optiques des matériaux.
Le défi principal réside dans le placement stratégique de ces interfaces : elles doivent être suffisamment proches des couches actives pour être efficaces, mais sans introduire de pertes optiques ou de résistances électriques nuisibles. Ce projet de thèse vise à :
- Proposer et réaliser des hétérostructures optimisées (épaisseur, composition, positionnement).
- Caractériser ces structures pour valider leur efficacité.
- Fabriquer et tester des lasers pour évaluer les progrès à l'échelle du composant.

L'enjeu est de concilier performance, fiabilité et durabilité, en réduisant la dépendance aux substrats III-V coûteux et en exploitant le potentiel du silicium pour une optoélectronique intégrée.
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Optoelectronic devices based on III-V semiconductors are traditionally fabricated on expensive, small III-V substrates composed of critical raw materials. Silicon (Si), abundant and widely used in microelectronics, could replace these substrates, promoting sustainable use of III-V materials and enabling the production of integrated photonic chips. However, the epitaxial growth of III-V materials on Si introduces a high density of dislocations (crystallographic defects), which degrade device performance and reliability.
A previous project explored filtering techniques to reduce these dislocations, but the results remained insufficient. The current goal is to adopt a new paradigm: designing trapping interfaces within the device to minimize the length of dislocations in contact with active layers and prevent the formation of new segments during operation. These interfaces, consisting of nanometer-thin layers, will be optimized to enhance dislocation trapping while preserving the electronic and optical properties of the materials.
The main challenge lies in the strategic placement of these interfaces: they must be close enough to the active layers to be effective but without introducing optical losses or electrical resistance that could harm performance. This PhD project aims to:
- Design and fabricate optimized heterostructures (thickness, composition, positioning).
- Characterize these structures to validate their effectiveness.
- Fabricate and test lasers to assess progress at the device level.
The objective is to balance performance, reliability, and sustainability, reducing dependence on costly III-V substrates and leveraging silicon's potential for integrated optoelectronics.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

De bonnes notions de physique des composants et de design d'hétérostructures sont souhaitables ainsi que le goût pour l'expérimentation puisqu'il faudra prendre en main les moyens d'épitaxie et divers outils de caractérisation à disposition au laboratoire.
A solid understanding of device physics and heterostructure design is desirable, along with a keen interest in experimental work, as the candidate will need to operate the epitaxial growth systems and various characterization tools available in the laboratory.