Nanophotonique GaN sur Si

En partant de l’expertise acquise ces 20 dernières années dans le domaine de l’épitaxie des nitrures d’éléments III sur substrat silicium, nous relevons un nouveau défi : Combiner les propriétés remarquables des nitrures d’éléments III avec l’extraordinaire maturité des procédés technologiques sur silicium, pour fabriquer des objets nouveaux et innovants en nanophotonique dans la gamme UV-visible-proche IR.

La principale approche que nous développons pour réaliser ces objets, consiste à fabriquer des membranes suspendues afin d’éliminer l’absorption du silicium. En effet, il se trouve qu’il y a une grande sélectivité de gravure entre le silicium et les nitrures d’éléments III et donc la fabrication de membranes suspendues est relativement simple (Figure 1). Pour que ces membranes présentent des propriétés intéressantes, il est généralement nécessaire que leur épaisseur soit de l’ordre de la longueur d’onde (λ) des photons que l’on souhaite générer et/ou propager. Donc typiquement les couches de nitrures d’éléments III épitaxiées sur silicium doivent être relativement peu épaisses, de l’ordre de 100 et 500 nm. L’hétéro-épitaxie de couches minces aussi peu épaisses avec des propriétés optiques intéressantes est un vrai défi. En effet, pour obtenir un matériau de bonne qualité il est généralement nécessaire d’épitaxier plusieurs µm de matériau sur silicium afin de filtrer une partie des défauts structuraux générés à l’interface Si/nitrure d’élément III. Donc en amont de la fabrication de la membrane suspendue, il y a un travail critique à réaliser sur le matériau pendant la phase d’épitaxie qui consiste à avoir une interface Si/nitrure d’élément III la plus parfaite possible (Figure 2) pour rapidement obtenir un front de croissance extrêmement lisse (Figure 3). La densité de défauts et la contrainte dans ces couches minces sont aussi des points critiques. Une fois que ces aspects sont optimisés, on a le choix d’insérer ou pas des zones actives (puits quantiques, boîtes quantiques, gaz bidimensionnel d’électrons, …) suivant que l’on souhaite fabriquer des lasers, des guide d’onde, des résonateurs, des modulateurs ou générer des effets non-linéaires, des peignes de fréquence …

Après la phase d’épitaxie réalisée au CRHEA, on passe à l’étape de fabrication par lithographie électronique suivie d’une étape de sous-gravure du silicium, ce qui permet de libérer des membranes et de fabriquer des microdisques, des cristaux photoniques, des guides d’onde, voire même de coupler ces différents objets (Figure 4). Ces étapes de fabrication ainsi que les études spécifiques qui sont menées sur ces objets sont majoritairement réalisées par nos partenaires (Figure 5).

Quelques exemples de réalisations :

• Blue Microlasers integrated on a photonic platform on silicon ACS Photonics (2018)
• Deep-UV nitride-on-silicon microdisk lasers SCIENTIFIC REPORTS Vol. 6, 21650 (2016)
• III-Nitride-on-silicon microdisk lasers from the blue to the deep ultra-violet APL 109, 231101 (2016)
• Phase-matched SHG with on-chip GaN-on-Si microdisks SCIENTIFIC REPORTS 6, 34191 (2016)
• Near-infrared III-nitride-on-Si nanophotonic platform with µdisk resonators OPTICS EXPRESS 24, 9602-9610 (2016)
• Resonant SHG in a gallium nitride two-dimensional photonic crystal on silicon APL 106, 081105 (2015)
• Near-infrared gallium nitride two-dimensional photonic crystal platform on silicon APL 105, 011104 (2014)
• High quality factor AlN nanocavities embedded in a photonic crystal waveguide APL 100, 191104 (2012)
• High quality factor photonic resonators for nitride quantum dots PSS b 249, 449-454 (2012)
• AlGaN-on-Si-Based 10-µm Pixel-to-Pixel Pitch Hybrid Imagers for the EUV Range EDL 32, 1561-1563 (2011)
• High Q nitride-based optical cavities: µdisks with embedded GaN/Al(Ga)N QDs OPTICS LETTERS 36, 2203 (2011)