Thèse Epitaxie par Jets Moléculaires Pilotée en Temps Réel pour le Développement d'Une Plateforme Photonique Intégrée Tout Oxydes H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Ecole Centrale de Lyon
École doctorale : EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon
Laboratoire de recherche : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon
Direction de la thèse : Guillaume SAINT-GIRONS
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Cette thèse vise à développer une plateforme photonique tout oxydes intégrée sur silicium, basée sur la croissance contrôlée de couches minces par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Elle s'appuie sur un pilotage en temps réel de la croissance, grâce à des outils de caractérisation in situ avancés (RHEED, ellipsométrie, mesure de courbure, flux). L'objectif scientifique est de combiner des oxydes ferroélectriques comme le BaTiO, pour la reconfigurabilité optique et des oxydes dopés aux ions Er³, pour l'émission, l'amplification et les sources de photons uniques. Il s'agira d'optimiser l'incorporation et les propriétés optiques de l'Er³ dans différentes matrices ABO, ainsi que les propriétés ferroélectriques du BaTiO. Ces matériaux seront intégrés en hétérostructures épitaxiées sur silicium via des templates SrTiO. Les développements matériaux reposeront sur des avancées instrumentales en rupture avec l'état de l'art, par une analyse couplée et corrélée des mesures effectuées grâce aux outils de caractérisation in situ. Les structures les plus performantes seront utilisées pour fabriquer des amplificateurs optiques et des sources à un photon accordables, en collaboration avec plusieurs partenaires académiques.

Les circuits photoniques intégrés sur silicium (PICs) sont des éléments clés des futurs systèmes pour les datacom et le calcul quantique. Le silicium est cependant peut efficace pour les fonctions d'émission/absorption et de reconfigurabilité indispensables pour les PICs.[1] Réaliser ces fonctions nécessite l'intégration sur silicium d'autres matériaux. Pour la reconfigurabilité, le BaTiO3 ferroélectrique est un excellent candidat du fait de ses coefficients Pockels élevés et car il peut être épitaxié sur Si en utilisant des templates de SrTiO3/Si.[2-4] Pour l'émission/absorption, les ions terres rares sont particulièrement intéressant notamment pour les amplificateurs à faible bruit et les sources de photons uniques.[5,6] Leurs performances sont fortement dépendantes de la matrice dans laquelle ils sont insérés[7] et les matrices de la famille de BaTiO3 (formule générique ABO3) permettent d'optimiser leurs propriétés optiques. Dans ce contexte, nous proposons d'exploiter le potentiel de l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) assistée par un couplage de caractérisations in situ et en temps réel pour la réalisation d'hétérostructures d'oxydes associant BaTiO3 et ABO3 dopé à l'Er3+ pour créer une nouvelle plateforme pour les PICs, intégrée par épitaxie sur Si via des templates de SrTiO3.

Exploiter le potentiel des hétérostructures d'oxydes fonctionnels pour les PICs nécessite un contrôle au-delà de l'état de l'art de leur croissance par MBE. Ce contrôle est rendu possible grâce au réacteur développé à l'INL, que nous avons équipé de différents outils de suivi en temps réel de la croissance : RHEED (diffraction des électrons en incidence rasante), ellipsométrie, mesure de courbure et système optique de mesure des flux. Ces outils sont aujourd'hui fonctionnels et utilisés quotidiennement au laboratoire.
Le premier objectif de la thèse sera de développer cette instrumentation en participant (avec le support des personnels techniques de l'équipe) à la mise au point d'une interface permettant l'acquisition en temps réel et sur une base de temps commune des signaux générés par ces outils de mesure. Il s'agira aussi, en s'appuyant sur cette interface, d'exploiter les outils de suivi in situ pour contrôler la croissance des hétérostructures d'oxydes.
Le deuxième objectif sera d'optimiser les propriétés de ces hétérostructures en vue de leur intégration dans des PICs. Pour les oxydes ABO3 dopés à l'Er3+, le premier système étudié sera le (La,Er)AlO3 pour lequel des résultats prometteurs ont été obtenus dans l'équipe. Il s'agira, entre autres, d'optimiser l'incorporation d'Er3+ et les propriétés de la matrice pour (i) obtenir une émission très cohérente optimisée pour la réalisation de sources à un photon et (ii) maximiser la concentration d'ions Er3+ optiquement actifs pour réaliser des amplificateurs optiques performants. Pour le BaTiO3, il s'agira notamment de maximiser l'accordabilité du matériau en optimisant son oxydation pendant la croissance et en contrôlant sa structure en domaines ferroélectriques. Pour cela, en plus des caractérisations in situ mentionnées plus haut, on s'appuiera sur les nombreux outils de caractérisation ex situ disponibles au laboratoire (diffraction des rayons X, XPD, AFM-PFM, caractérisations électriques, photoluminescence, etc.) et via le réseau collaboratif dense de l'équipe.
Sur la base de ces développements matériaux, des hétérostructures d'oxydes optimales seront designées et fabriquées, avec l'appui des collaborateurs de l'équipe d'accueil (équipe ilum de l'INL et C2N notamment). Les structures les plus prometteuses seront utilisées pour fabriquer des sources à un photon accordables et des amplificateurs optiques, en collaboration avec ces équipes.

Le/la doctorant(e) sera au coeur du projet et sera plus particulièrement en charge des aspects suivants :
-Croissance des structures à base d'oxyde pas épitaxie par jets moléculaires et développements instrumentaux/logiciels pour la mise en oeuvre des outils de caractérisation in situ et en temps réel
-Caractérisations structurales et chimiques des couches épitaxiées : diffraction des rayons X, XPS, AFM, microcopie électronique en transmission, campagnes de mesures éventuelles aux synchrotrons SOLEIL et ESRF
-Caractérisations fonctionnelles de couches épitaxiées, notamment par photoluminescence.
Pour ces activités, le/la doctorant(e) pourra bien sûr s'appuyer sur la diversité des expertises et moyens disponibles au laboratoire ou au sein du réseau collaboratif dense de l'équipe
Les aspects instruments et liés au développements matériaux du projet seront menés en parallèle, car ils sont interdépendants. Les progrès dans la mise en oeuvre et le couplage des mesures in situ en temps réel alimenteront les développements matériaux. Le projet comprendra trois grandes phases :
-Optimisation des propriétés optiques du (La,Er)AlO3, sur la base des résultats préliminaires obtenus au laboratoire
-Exploration d'autres oxydes comme matrices hôtes de l'Er3+, sur la base des résultats obtenus et en s'appuyant sur les travaux théoriques menés dans le cadre de la collaboration avec le laboratoire FOTON
-Optimisation des hétérostructures combinant oxydes dopés à l'Er3+ et BaTiO3 et fournitures de structures à nos partenaires pour la réalisation de composants