Soutenance de thèse de AMLAN DAS

Il existe un intérêt croissant pour le développement de technologies d'écriture laser tridimensionnelle applicables au silicium (Si) pour relever certains défis associés à la microfabrication en microélectronique. Des expériences récentes ont révélé que l'interaction laser femtoseconde infrarouge dans les matériaux semiconducteurs s’accompagne de processus non linéaires importants menant à de sévères limitations sur la densité d'énergie pouvant être délivrée à l'intérieur du silicium. Ce travail se concentre sur les investigations des paramètres de contrôle dans le domaine temporel, c'est-à-dire les caractéristiques temporelles des impulsions lasers. Il révèle la possibilité d'écrire des micro-modifications dans le volume pours des durées d'impulsion allant de quelques picosecondes à quelques nanosecondes alors que l'écriture en régime femtoseconde reste impossible dans les configurations de focalisation classiques. Pour des considérations technologiques, une conclusion importante porte sur une puissance crête qui ne doit pas être dépassée pour éviter les effets de propagation non linéaire et de plasma délocalisant l'énergie laser à l'intérieur du silicium. À la recherche d'optimisations avec des irradiations de durées apparentes dans le domaine picoseconde, des stratégies d'accumulation avec des trains d'impulsions à des fréquences de répétition THz (appelées bursts) sont également mises en œuvre et étudiées. Par rapport à l'irradiation avec des impulsions uniques, une amélioration systématique est obtenue sur la densité d'énergie délivrée. Ceci peut être attribué à l'accumulation locale de chaleur ou de porteurs libres. L’approche permet des démonstrations de fiabilité d’écriture améliorée avec des impulsions picosecondes. En complément de ces analyses, une étude de la dépendance du problème au contraste temporel des impulsions femtosecondes est proposée. Elle repose sur une approche à double-impulsion avec le développement d'un dispositif d'irradiation avec des impulsions femtosecondes synchronisées avec des impulsions picosecondes ou nanosecondes. Dans des conditions appropriées, des pré- et post-impulsions picosecondes conduisent à des modifications qui ne peuvent pas être obtenues avec des impulsions parfaitement contrastées. Cette forte dépendance au contraste encourage la mise en œuvre d'une irradiation contrôlée sur plusieurs échelles de temps pour de futures optimisations. Dans sa globalité, l'étude donne une référence générale sur les caractéristiques temporelles des impulsions à considérer pour les applications d’écriture laser à l’intérieur des semiconducteurs.

There is today a growing interest in the development of three-dimensional laser writing technologies applicable to silicon (Si) because of its potential to address important challenges of the future microelectronics. Recent experiments have revealed that infrared femtosecond laser interaction in narrow gap materials relies on a complex interplay be-tween nonlinear processes that depends on many experimental parameters and causes severe limitations on the energy density that can be delivered inside silicon. This work concentrates on investigations on control parameters in the time-domain, i.e. the temporal characteristics of irradiating pulses. The study reveals the achievability of stable laser micro-modification writing for pulse durations ranging from few picoseconds to nanoseconds whereas writing in the femtosecond regime remains impossible in conventional focusing configurations. For techno-logical considerations, a conclusion is that a certain peak power should not be exceeded to avoid nonlinear propagation and plasma effects de-localizing the laser energy inside silicon. Looking for optimizations with irradiations of apparent durations in the picosecond domain, accumulation strategies with trains of pulses at THz repetition rates (so-called bursts) is also implemented and investigated. In comparison to single-pulse irradiation, a systematic improvement is obtained on the delivered energy density. This can be attributed to heat or carrier accumulation and allows demonstrations of improved reliability writing with picosecond pulses. Complementing these analyses in the temporal domain, a study of the dependence of the problem to the temporal contrast of femtosecond pulses is proposed. It is based on a double-pulse approach with the development of a setup for irradiation with femtosecond pulses synchronized with picosecond or nanosecond pulses. Under appropriate conditions, picosecond pre- and post-pulse contributions lead to modifications that cannot be obtained with perfectly contrasted pulses. This strong contrast dependence encourages the implementation of multi-time scale-controlled irradiation for future optimizations. Overall, the study gives a general benchmark on the most appropriate temporal characteristics of pulses for stable and reliable laser writing capability inside narrow gap semiconductors.