EP2460048A2 - Dispositifs electro-optiques bases sur la variation d'indice ou d'absorption dans des transitions isb - Google Patents

Dispositifs electro-optiques bases sur la variation d'indice ou d'absorption dans des transitions isb

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EP2460048A2
EP2460048A2 EP10800972A EP10800972A EP2460048A2 EP 2460048 A2 EP2460048 A2 EP 2460048A2 EP 10800972 A EP10800972 A EP 10800972A EP 10800972 A EP10800972 A EP 10800972A EP 2460048 A2 EP2460048 A2 EP 2460048A2
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EP
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component
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Withdrawn
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EP10800972A
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François JULIEN
Anatole Lupu
Maria Tchernycheva
Laurent Nevou
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
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Publication date
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    • H01S5/3402—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers intersubband lasers, e.g. transitions within the conduction or valence bands
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • the present invention relates to electro-optical components with interstage transition by quantum confinement between two group III nitride materials.
  • It also relates to devices or systems including such components, as well as a method of manufacturing such a component.
  • the invention is in the field of optoelectronics and photonics, in particular for applications in the fields of optical telecommunications and optical interconnections in integrated circuits.
  • the field of optoelectronics comprises different types of components processing or generating light, for example to emit light signals intended to measure a quantity as in interferometry, or as in the field of telecommunications to communicate by signals comprising modulated light transmitted in optical fibers.
  • an electro-optical modulator is an element for transferring information from an electrical signal to an optical wave, for example to transform digital information in electronic form into an optical digital signal which will be sent to an optical signal.
  • an optical fiber for long distance transmission.
  • emitters may take the form of a conventional diode
  • non-coherent or a laser diode, for example to serve as a light source.
  • optoelectronic components may also be electrically controllable wavelength tunable optical filters for separating certain wavelengths or extracting a channel from a multi-band transmission, devices for optical routing reconfigurable to electrical control or light detectors for example for transforming light signals into electronic signals in a reception or retransmission system.
  • quantum structures may have different shapes such as two-dimensional quantum thickness layers forming quantum wells, alternating with two-dimensional layers forming barrier layers. Structures are also used including quantum "boxes", for example of substantially cylindrical shape, or even in the form of nano wires, embedded in a barrier material.
  • the wavelengths used are those of the near infrared (NIR for "near infra red”), and more particularly of the order of 800 nm to 1600 nm, typically 1.55 microns.
  • NIR near infra red
  • pairs of materials such as InGaAsP to form quantum structures, for example quantum well layers (QW for "Quantum WeII"), and InAIAs or InP for barrier structures.
  • the material forming the quantum well is chosen for its narrower band gap than that of the barrier material.
  • These m aterials are used for example to create bipolar electro-optic modulators (ie two types of carrier: electrons and holes) with an interband transition (" interband ”) operating by absorption.
  • interband interband
  • Such a modulator comprises an active region comprising one or more quantum structures. When the active region is subjected to a potential difference, there is a change in the optical characteristics of this active region, in this case in the form of a variation in light absorption.
  • this type of component makes it possible to provide intensity contrasts from 10 dB, which are a minimum for telecommunications applications. It is however interesting to improve this contrast, for example to facilitate the decoding of the signal but also to reduce the size of the components. Indeed, the total contrast obtained depends on the length on which the modulation takes place.
  • this type of component allows a modulation spectral width (FWHM for "FuII width at HaIf Maximum”) of the order of 50 meV at a wavelength of 1.3 to 1.55 microns.
  • FWHM modulation spectral width
  • An electro-optical modulator can also operate by phase variation: in a configuration where the power-up produces a change of refraction of the active region, and thus of the light transmission speed. By injecting a regular signal into this active region, it is thus possible to modulate its phase by controlling the potential difference.
  • a phase modulator may for example be incorporated into an interferometer for providing phase modulation, for example a ring interference or a Mac Zehnder interferometer.
  • MIFO GaN - Medium Infra Red
  • the proposed configurations comprise one or two quantum wells, which are separated by two thin barriers chosen so as to be penetrable by tunnel effect.
  • Nevou et al. 2007 Appl Phys Lett 90, 223511, 2007
  • Kheirodin et al. 2008 (IEEE Photon.Technol.Led., Vol .20, no.9, plO41- 1135 May 1, 2008) describe an improvement in performance using an active region of twenty periods, each comprising a Coupled Quantic Well (CQW), itself formed by flat layers stacked within a region. active plane, with the pair of QW-BL materials in GaN-AIN.
  • CQW Coupled Quantic Well
  • This coupled quantum well consists of a quantum well layer called a reservoir, with a thickness of 3 nm, followed by a barrier layer that is sufficiently thin to be penetrated by a tunnel effect, with a thickness of
  • the decrease in the size of the active region causes a decrease in the interaction length, which can be detrimental to other performance, for example in terms of intensity contrast.
  • An object of the invention is to provide a technology overcoming all or part of the disadvantages of the state of the art, and allowing all or part of these improvements.
  • the invention proposes an electro-optical component with intersousband transition by quantum confinement between two materials of the type group III nitride.
  • this component comprises at least one active region including at least two so-called outer barrier layers surrounding one or more "N" doped quantum structures.
  • this or these quantum structures are each surrounded by two non-intentionally doped barrier zones of a sufficient thickness to prevent the passage of electrons by tunnel effect, in particular with a minimum thickness of more than four monoatomic layers. that is to say at least five monoatomic layers or even at least six or eight monoatomic thicknesses.
  • At least two successive (and advantageously all) quantum structures are all "N" doped and are separated two by two by a non-intentionally doped barrier zone producing this minimum thickness.
  • the thickness of the outer barriers depends on the design of the complete component and in particular the composition of the confinement layers. Their thickness of more than four monolayers can also be significantly greater, and determines the operating voltage range of the device.
  • the barrier layers of separations between quantum structures may be of equal thickness to each other, at one or two monoatomic thicknesses.
  • these successive quantum structures have an identical thickness with one or two monoatomic thicknesses.
  • the component according to the invention comprises at least one active region including a plurality of successive quantum structures separated two by two by a non-intentionally doped barrier zone, of a sufficient thickness to avoid the passage of electrons by tunnel effect, in particular with a thickness of at least five monoatomic layers.
  • quantum structures are desirable for example to increase the absorption in the absorbing state and the compactness of the device. All depends on the desired performance by the component designer, for example in the compromise between on the one hand simplicity and cost of manufacture and on the other hand performance and / or compactness of the component.
  • the quantum structures mainly comprise Gallium Nitride and the barrier zones mainly comprise aluminum nitride or AIGaN.
  • the thickness of the quantum structures is determined to tune this component to a wavelength of between 1.0 ⁇ m and 1.7 ⁇ m.
  • a preferred embodiment of the invention proposes such a component arranged according to an architecture implementing an electrooptic modulator.
  • a mod u lateu r can be arranged to function by absorption, for example to optimize the contrast obtained first.
  • It can also be arranged to operate by modulation of the refractive index, for example to favor the phase variation.
  • the active region architecture according to the invention can also be used in a component arranged according to an architecture realizing in particular:
  • a photodetector for example with a quantum cascade, or
  • the scope of the invention is potentially very wide.
  • the invention also applies to components or devices such as tunable filters, reconfigurable optical routing as well as optical sensors for chemistry or biology, and others. applications taking advantage of the variation of absorption or index.
  • the quantum structures may be substantially two-dimensional, in particular planar, quantum well layers.
  • Each of these quantum wells is surrounded on each side by at least one two-dimensional, particularly flat, barrier layer.
  • such a component is arranged to operate with a polarization of light perpendicular to the plane of the layers forming the quantum structures, or to a surface tangent to these layers.
  • an electro-optical modulator according to the invention comprises an active region including three successive uncoupled quantum wells.
  • the quantum wells are in "N" doped GaN and have a thickness of 4 to 6 monoatomic layers (about 1 to 1.5 nm). These quantum well layers are then separated from each other by unintentionally doped AI N barrier layers having a thickness of five or more monoatomic layers.
  • the active region of such a component is surrounded by two confinement layers of a certain thickness, for example at least 0.4 micrometer, and is disposed in a portion in the form of an edge or mesa. forming a waveguide by variation or index jump.
  • These confinement layers are for example AI 0 . 5 Ga 0 .5N doped "n". They ensure the optical confinement of the index jump guided mode and are also used to form the electrical contacts, thus also acting as a contact layer.
  • One of these two confinement (or contact) layers carries at its surface one or more electrodes of a first polarity, for example a single electrode over most of its outer surface, on the opposite side to the active region. .
  • the other confinement (or contact) layer carries on its surface one or more electrodes of a second polarity, for example two electrodes of the same polarity carried on the surface of two shoulders of the confinement layer extending from each side of the waveguide axis.
  • the waveguide formed by the confinement layers and the active region may for example be arranged on at least one semiconductor buffer layer, for example a Group III element nitride such as AlN.
  • This buffer layer is itself carried by a substrate, for example sapphire.
  • the invention provides a device or system comprising at least one component as set forth herein.
  • the component according to the invention and in particular the modulator has a large number of advantages, for example in terms of performance but also by a simplification of engineering and a wide field of use.
  • the advantages provided by the invention include in particular an improvement in the intensity contrast obtained at ambient temperature at about 14 dB for a potential difference of 7V and at about 10 dB for 5V in a band. spectral range from 1.2 ⁇ m to 1.6 ⁇ m.
  • the value of 14 dB allows a detection error rate of the order of 10 "15 whereas the value of 12 dB of the state of the art gave an error rate of 10%.
  • order of 10 "9 an improvement of a factor of 10 to the power six.
  • the index variation is exalted in the vicinity of the absorption line, which makes the operation more stable, in particular by reducing the frequency drift during the modulation.
  • the simplified structure of uncoupled quantum wells allows a greater freedom of design of the architecture of the active region, and therefore easier to adapt to the specifications.
  • the adjustment of the spectral position of the absorption line is done by the control of the need for structu res fo rma nt qua ntic po rts. Since each includes only one continuous region (unmated wells) and not two coupled regions as in the state of the art (coupled wells), the control of the thickness of this region is easier and less side effects on other operating characteristics of the whole.
  • the ISB transitions can be tuned in the range 1.3 ⁇ m - 1.55 ⁇ m using thicknesses of
  • GaN from 4 to 6 monoatomic layers, ie from 1 to 1.5 nm.
  • Refractive index engineering this index can be adjusted by controlling the composition and thickness of the active region layers, especially for quantum structures.
  • Controlling the confinement of the optigo mode being done by index contrast, which brings performance and simplicity of engineering for example for the design of the circuits.
  • the invention allows a low thermal effect, of the order of 10 -5 K -1 for ⁇ n / ⁇ T. It also allows a reduction of the resistivity, allowing to use potential differences of the order of 12V or 10V or 5V or 3V. This allows for easier and more economical integration into many electronic systems, which are often supplied with DC voltage less than these values.
  • the invention allows the component a good mechanical strength, temperature, optical flux and ionizing radiation.
  • Intrinsic speed It is for example an ultra-fast operation obtained among other things by the speed of relaxation ISB via phonons LO: around 0.15 ps to 0.4 ps, allowing to consider for example components of the type all-optical switch operating in the Tbit / s regime.
  • quantum well GaN layer structures are used in different components and operating in a different mechanism, to make all-optical switches or switches, as described in JP 2005 215395 and
  • document JP 2005 215395 describes an optical conductor performing an all-optical switch function, and not an electro-optical one.
  • This all-optical switch comprises a stack of quantum well semiconductor nitride layers, for the purpose of operating with a lower switching energy.
  • the stack of layers has the shape of an edge or mesa, of decreasing width in steps, forming an optical waveguide.
  • This edge receives an input light through an input end and emits by an end of so light a light co mmanded par t tra interstibande and operating by saturable absorption under the action of the energy input light.
  • This type of component is typically used to produce an output light signal from an input light signal. It can be by for example, to regenerate the shape of the signals within an optical conductor, or to connect two optical circuits to each other by a connection of the "photonic cross-connect” (PXC) type also called “transparent cross-connect” (OXC).
  • PXC photonic cross-connect
  • OXC transparent cross-connect
  • FIGURES la and b illustrate a state of the art using about twenty periods of GaN coupled quantum well layers separated by AlN barrier layers;
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of an electro-optical modulator in one embodiment of the invention, receiving a light source by the wafer or at the Brewster angle;
  • FIGURE 3 is a cross-sectional block diagram illustrating the architecture of the modulator of FIGURE 2;
  • FIGURE 4 is a cross-sectional block diagram illustrating the architecture of the active region of the modulator of FIGURE 2;
  • FIGURE 5a and b are operating diagrams illustrating the variation of energy according to the thickness of the active region of FIGURE 4,
  • FIG. 5a with a negative potential difference
  • FIG. 5b with a positive potential difference
  • FIG. 6 is a curve showing the variation of the intensity contrast as a function of the potential difference applied to the modulator electrodes of FIG. 2, in the wafer illumination mode.
  • FIGURES la and b illustrate a state of the art described by Nevou et al. 2007 (Appl Phys Lett 90, 223511, 2007) and Kheirodin et al. 2008 (IEEE Photol.Technol.Led., Vol.20, no.9, plO41-1135 May 1, 2008).
  • This publication presents a modulator useful in active region about twenty periods of coupled quantum well layers of GaN separated by barrier layers of AlN.
  • FIG. 1B is a sectional photo of a portion of the active region, which shows about five pairs of CQW coupled wells separated by 2.7 nm barrier layers of AIN (dark gray).
  • Each of these coupled CQW wells comprises a QWR quantum well with a thickness of 3 nm and a QWN doped quantum well with a thickness of 1 nm, both in GaN (light gray).
  • the two GaN regions are separated by a 1 nm thick BLI coupling barrier of AIN (dark gray).
  • FIGURE 1a is a graph showing the absorption obtained (scale on the left) as a function of the wavelength (scale above) or the energy (scale below) of the light used.
  • the i nsert at sei n of this FIG U RE la represents the operating mode of a CQW pair of these coupled wells, and the energy variations (scale on the left) as a function of its transversal structure at the different layers (scale below).
  • the horizontal distribution of the sawtooth variations thus corresponds to the structure of the different layers of this CQW pair of coupled wells, successively from left to right: QWR, then BLI, then QWN.
  • FIGURE 2 and FIGURE 3 are diagrams schematically showing the architecture of an electro-optical modulator in an exemplary embodiment of the invention.
  • FIGU RE 2 is illustrated the operating principle of such a modulator 2.
  • This modulator comprises an active region 23 forming a waveguide between two confinement regions 22 and 24.
  • This active region is controlled by at least one electrode 26 of a first polarity and at least one electrode (here divided into two elements 251 and 252) of a second polarity controlled by an electrical control device 3 by voltage variation.
  • the active region 23 receives a luminous flux 41 by the wafer. This flow is conducted within the active region and emerges on the other side in an output luminous flux 42.
  • a luminous flux 411 penetrates through the upper confinement layer 24 according to the Brewster angle 410, and passes through it to the active region 23. This flow is then guided by this active region and comes out of it. an output luminous flux 42.
  • the active region 24 has a light absorption which varies as a function of the electrical control 3 over a certain length of modulation LM .
  • the luminous flux passing therethrough re o rt d o n c with a n i nte nsity 42 modulated according to the electric control 3.
  • a luminous flux 42 mod ulé is output as a function of this same electrical control signal.
  • This modulation can be applied to an input luminous flux 41 from a regular source such as a laser, or can be applied to a luminous flux 41 already comprising itself a signal.
  • FIG. 3 and FIG. 4 represent more precisely this example of modulator 2 architecture.
  • a buffer layer 21 of 1 micron AlN On a substrate 20, for example sapphire, is grown a buffer layer 21 of 1 micron AlN. A first confinement layer 22, or layer contacting is then grown, doped "n", for example 5.10 to 18 cm “3, for example a thickness of 0.5 .mu.m Alo .5 Gao .5 N.
  • the active region 23 which is shown in greater detail in FIG. 4, is then produced.
  • first confinement layer 22 On another part of the first confinement layer 22, for example on both sides around the active region 22, is deposited one or more conductive layers 251 and 252 or metal forming an electrode of a polarity.
  • a second confinement layer 24 or layer contact doped "n", for example 5.10 to 18 cm "3, for example a thickness of 0.5 .mu.m Alo .5 Gao .5 N.
  • At least one conductive or even metallic layer 26 forming an electrode of the other polarity is deposited.
  • FIG. 4 represents in greater detail the vertical sectional structure of the active region 23. In order to produce this active region, one successively increases:
  • a first AlN outer BLO barrier layer of at least about 3 nm
  • quantum layers here three QWl, QW 2 and QW 3 quantum well layers in GaN of equal thickness, each of a thickness of 4 to 6 monoatomic layers, ie approximately 1 to
  • barrier layers are grown after each and before the next one, here two barrier layers BL1 and BL2, in AIN of a thickness of typically 3 nm;
  • FIGS. 5a and b illustrate the operation of a modulator according to the invention, in the embodiment described above with three uncoupled quantum wells.
  • the three downward sawtooth slots are positioned at the QW1 to QW3 GaN quantum well layers on a x-axis representing the size of the active region 23 transverse to QW quantum layers and BL barriers.
  • FIG. 6 is illustrative of the variation of the intensity contrast obtained, as a function of the potential difference applied to the modulator electrodes described above, in the wafer illumination mode.
  • the contrast obtained for a potential difference of + 7V is 14 dB, which constitutes an interesting performance compared to the state of the art.
  • the contrast of 10.2 dB is a worse performance in absolute terms, but is here obtained with a less significant potential difference at -5V, which allows the realization of a component requiring a lower voltage, for example with a lower voltage power supply.
  • This potential difference of 5V is compatible with a supply voltage of 5V which is an extremely common standard in the field of small electrical appliances as well as components and integrated circuits in general.

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Abstract

La présente invention concerne des composants électro-optiques à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III, typiquement par GaN/AIN. Elle concerne en outre des dispositifs ou systèmes incluant de tels composants, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant. Selon l'invention, un tel composant (2) est du type comprenant au moins une région active (23) incluant au moins deux couches barrières dites extérieures (BLO, BL3) entourant une ou plusieurs structures quantiques (QWl, QW2, QW3) dopées « N », et est caractérisé en ce que ladite ou lesdites structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières (BLO, BLl, BL2, BL3) non intentionnellement dopées d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.

Description

« Dispositifs électro-optiques basés sur la variation d'indice ou d'absorption dans des transitions ISB »
La présente invention concerne des composants électro-optiques à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III.
Elle concerne en outre des dispositifs ou systèmes incluant de tels composants, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant.
Domaine technique
L'invention se situe dans le domaine de l'optoélectronique et la photonique, en particulier pour des applications dans les domaines des télécommunications optiques et des interconnexions optiques dans les circuits intégrés.
Le domaine de l 'optoélectronique comprend différents types de composants traitant ou générant de la lumière, par exemple pour émettre des signaux lumineux destinés mesurer une grandeur comme dans de l'interférométrie, ou comme dans le domaine des télécommunications pour communiquer par des signaux comprenant de la lumière modulée transmise dans des fibres optiques.
Dès lors qu'un système utilise à la fois des signaux électriques et des sig n a ux basés su r d e l a l u m iè re, d es co m posa nts d e conve rsio n électronique/optique sont nécessaires.
Par exemple, un modulateur électro-optique est un élément permettant de transférer une information depuis un signal électrique vers u ne onde optiq ue, pa r exem ple pou r transformer u ne information numérique sous forme électronique en un signal numérique optique qui sera envoyé dans une fibre optique pour une transmission longue distance.
D'autres types d'émetteurs peuvent prendre la forme d'une diode classique
(non cohérente) ou d'une diode laser, par exemple pour servir de source lumineuse.
D'autres composants optoélectroniques peuvent être aussi des filtres optiques accordables en longueur d'onde à commande électrique pour séparer certaines longueurs d'onde ou extraire un canal d'une transmission multi bandes, des dispositifs pour le routage optique reconfigurable à commande électrique ou des détecteurs de lumière par exemple pour transformer des signaux de lumière en signaux électroniques dans un système de réception ou de réémission.
Etat de la technique
Dans le domaine de l'optoélectronique, il est connu d'utiliser des structures de dimensions nanométriques combinant des semi conducteurs, en particulier à base d'éléments du groupe III et du groupe V, pour former des structures quantiques correspondant à des transitions de niveau d'énergie des électrons interagissant avec les longueurs d'onde lumineuses utilisées.
Ces structures quantiques peuvent présenter différentes forme telles que des couches bidimensionnelles d'épaisseur quantique formant des puits quantiques, alternées avec des couches bidimensionnelles formant des couches barrières. On utilise aussi des structures incluant des « boîtes » quantiques par exemple de forme sensiblement cylindriques, voire sous la forme de nano fils, noyées au sein d'un matériau formant barrière.
Il est à noter que des types différents de composants optoélectroniques utilisent parfois des structures quantiques et des matériaux similaires, et qu'une même technologie permet ainsi de réaliser plusieurs types de composants en organisant différemment l'implantation de la région active, par exemple par rapport aux électrodes ou par rapport au(x) guide(s) d'onde.
InP - Télécommunications (NIFO
Dans le domaine des télécommunications, les longueurs d'onde utilisées sont celles du proche infra rouge (NIR pour « near Infra Red »), et plus particulièrement de l'ordre de 800 nm à 1600 nm, typiquement 1,55 μm.
En particulier dans le domaine des télécommunications, il est connu d'utiliser des couples de matériaux tels que le InGaAsP pour former les structures quantiques, par exemple des couches formant puits quantiques (QW pour « Quantum WeII »), et du InAIAs ou du InP pour les structures barrières. Le matériau formant le puit quantique est choisi pour sa bande interdite plus étroite que celle du matériau formant barrière. Ces m atéri a ux so nt uti l isés pa r exem p l e po u r réa l iser d es modulateurs électro-optiques bipolaires (c'est à dire à deux types de porteur : les électrons et les trous) à transition inter bande (« interband ») fonctionnant par absorption. Un tel modulateur comprend une région active comprenant une ou plusieurs structures quantiques. Lorsque l'on soumet la région active à une différence de potentiel, il se produit une modification les caractéristiques optiques de cette région active, dans ce cas sous la forme d'une variation de l'absorption lumineuse.
En co m ma n d a nt cette d ifféren ce de potentiel par un signal électronique et en injectant dans cette région active une lumière régulière fournie par une source, on peut ainsi moduler l'intensité de la lumière sortant du composant et réaliser ainsi un modulateur électro-optique.
En plaçant cette région active en travers d'un signal optique, on peut aussi réaliser un filtre à commande électrique.
Dans l'état actuel de la technique, ce type de composant permet de fournir des contrastes d'intensité à partir de 10 dB, qui sont un minimum pour les applications de télécommunications. Il est cependant intéressant d'améliorer ce contraste, par exemple pour faciliter le décodage du signal mais aussi pour pouvoir diminuer l'encombrement des composants. En effet, le contraste total obtenu dépend de la longueur sur laquelle s'effectue la modulation.
Par ailleurs, ce type de composant permet une largeur spectrale de modulation (FWHM pour « FuII Width at HaIf Maximum ») de l'ordre de 50 meV à une longueur d'onde de 1,3 à 1.55 μm. Cette valeur de FWHM donne un ratio de longueurs d'onde Δλ/λ=5%, qui influe directement la dérive de fréquence (« chirp » en anglais) et donc sur la qualité de séparation entre plusieurs canaux de fréquence au sein d'un même guide d'onde.
Un modulateur électro-optique peut aussi fonctionner par variation de phase : d ans u ne config u ration où l a mise sous tension prod u it u n changement de réfraction de la région active, et donc de la vitesse de transmission de la lumière. En injectant un signal régulier dans cette région active, on peut ainsi moduler sa phase par la commande de la différence de potentiel. Un tel modulateur de phase peut par exemple être incorporé dans un interféromètre pour fournir une modulation de phase, par exemple un interféra m être en anneau ou un interféromètre de type Mac Zehnder.
Actuellement, ce type de composant permet une variation de l'indice de réfraction de l'ordre de 10"3 (0,001).
A partir de ces matériaux, il a aussi été réalisé des modulateurs unipolaires à transition inter sous bande (« ISB pour « InterSubBand »), mais uniquement en fonctionnement par absorption, et dans des longueurs d'onde peu utiles pour les applications de télécommunications, par exemple λ= 10 μm. En effet, dans les dispositifs ISB à base d'InGaAs/AUnAs sur InP ou de GaAs/AIGaAs, la longueur d'onde minimale est limitée respectivement à λ=3,5 μm et λ=8 μm.
GaN - Infra rouge moyen (MIFO
Dans d'autres domaines de longueurs d'onde, de l'ordre de 1 μm à 20 μm, il a été proposé d'utiliser des nitrures, et en particulier le matériau GaN, pour réaliser des composants unipolaires à transition inter sous bande (ISB).
Le docu ment US 6,593,589 décrit en particulier un modulateur unipolaire ISB fonctionnant par absorption autour de 5,2 μm, utilisant les couples QW-BL (pour « Quantum WeII - Barrier Layer ») : GaN-AIN ou GaN- InN ou InGaN-GaN. Il décrit des couches formant puits quantiques d'une épaisseur de 4 à 5 nm. De tels composants sont utilisés par exemple dans l 'ém issio n o u l a détection aérien ne, po u r profiter de fenêtres de transparence atmosphérique aux longueurs d'onde 3-5 μm et 8-12 μm.
Les configurations proposées comprennent un ou deux puits quantiques, lesquels sont séparés par deux barrières minces choisies de façon à être pénétrables par effet tunnel.
Des travaux plus récents on développé l'utilisation du GaN pour des composants unipolaires ISB dans des longueurs d'ondes de 1 à 2,4 μm pour une différence de potentiel de 30V. Or il est intéressant de pouvoir utiliser des tensions les plus faibles possibles, par exemple pour être compatible avec les tensions d'alimentations couramment utilisées dans nombres de systèmes électroniques, souvent en 12V, voire 10V et surtout 3V.
Ainsi, Nevou et al . 2007 (Appl . Phys. Lett. 90, 223511 , 2007) et Kheirodin et al . 2008 (IEEE Photon . Technol . Lett., vol .20, no.9, plO41- 1135 May 1, 2008) décrivent une amélioration des performances en utilisant une région active de vingt périodes comprenant chacune un puits quantique couplé (CQW pour « Coupled Quantic WeII »), lui-même formé par des couches planes empilées au sein d'une région active plan, avec le couple de matériaux QW-BL en GaN-AIN.
Ce puits quantique couplé est constitué d'une couche puits quantique dite réservoir, d'une épaisseur de 3 nm, suivie d'une couche barrière suffisamment fine pour être pénétrée par effet tunnel, d'une épaisseur de
1 nm, suivie d'une couche formant un puits quantique étroit d'une épaisseur de 1 nm.
Ces travaux soulignent les performances de vitesses apportées par la transition ISB. Kheirod in et al . ind iq ue que le temps de passage de l'électron par effet tunnel d'un puits à l'autre est une limite à la vitesse intrinsèque du modulateur, et propose pour améliorer cette caractéristique de diminuer les dimensions de la région active du modulateur, par exemple en l'insérant directement dans le guide d'onde.
Ces technologies présentent un certain nombre d'inconvénients, ou seraient utilement améliorées, par exemple en matière de performance, de simplicité et de souplesse d'ingénierie ou de compacité.
En outre, la diminution des dimensions de la région active entraine une diminution de la longueur d'interaction, ce qui peut être néfaste pour d'autres performances, par exemple en matière de contraste d'intensité.
Par ailleurs, l'évolution des matériels et des réseaux en matière de télécommunications rend utile et intéressant toutes les améliorations disponibles, en particulier en matière de performances, par exemple en vitesse ou contraste ou spécificité spectrale ou stabilité de fréquence, ainsi qu'en matière de compacité, de simplicité et de liberté de conception et d'implantation et de réalisation.
Un but de l'invention est de fournir une technologie palliant tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique, et permettant tout ou partie de ces améliorations.
Exposé de l'invention
L'invention propose un composant électro-optique à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III. Selon l'invention, ce composant comprend au moins une région active incluant au moins deux couches barrières dites extérieures entourant une ou plusieurs structures quantiques dopées « N ».
Dans tous les modes de réalisation, cette ou ces structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières non intentionnellement dopées d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur minimale de plus de quatre couches monoatomiques, c'est à dire d'au moins cinq couches monoatomiques voire au moins six ou huit épaisseurs monoatomiques.
Dans le cas d'une seule structure quantique, celle-ci est entourée par les deux couches barrières extérieures, lesquelles sont non intentionnellement dopées et présentent cette épaisseur minimale.
Dans le cas où une même région active comprend plusieurs structures quantiques, au moins deux structures quantiques successives (et avantageusement toutes) sont toutes dopées « N » et sont séparées deux à deux par une zone barrière non intentionnellement dopée réalisant cette épaisseur minimale.
L'épaisseur des barrières extérieures dépend de la conception du composant complet et notamment de la composition des couches de confinement. Leur épaisseur de plus de quatre monocouches peut aussi être notablement plus importante, et conditionne la gamme de tension de fonctionnement du dispositif.
Selon une particularité non obligatoire, les couches barrières de séparations entre structures quantiques peuvent être d'épaisseurs égales entre elles, à une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Selon une autre particularité non obligatoire, ces structures quantiques successives présentent une épaisseur identique entre elles, à une ou deux épaisseurs monoatomiques près. Dans un type particulier de mode de réalisation, le composant selon l'invention comprend au moins une région active incluant une pluralité de structures quantiques successives séparées deux à deux par une zone barrière non intentionnellement dopée, d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.
Plusieurs structures quantiques sont souhaitables par exemple pour augmenter l'absorption dans l'état absorbant et la compacité du dispositif. Tout dépend des performances désirées par le concepteur du composant, par exemple dans le compromis entre d'une part simplicité et coût de fabrication et d'autre part performances et/ou compacité du composant.
De façon avantageuse, dans le composant selon l'invention, les structures quantiques comprennent en majorité du Nitrure de Gallium et les zones barrières comprennent en majorité du Nitrure d'Aluminium ou du AIGaN.
Ces matériaux sont particulièrement bien adaptés à la mise en œuvre de l'invention, par exemple par la discontinuité de potentiel en bande de conduction ΔEc= l, 75 eV p o u r G a N/AI N , et e n ra ison des capacités techniques actuelles qui permettent depuis au moins 2006 la réalisation de structures de couches précises à une ou deux couches monoatomiques près, et d 'u ne épa isseu r pouva nt descend re j usq u 'à trois couches monoatomiques.
Dans le cas d'une application de type télécommunication, l'épaisseur des structures quantiques est déterminée pour accorder ce composant sur une longueur d'onde comprise entre 1,0 μm et 1,7 μm.
U n mode de réal isation préféré de l 'invention propose un tel composant agencé selon une architecture réalisant un modulateur électrooptiq ue . U n tel mod u lateu r peut être agencé pou r fonction ner par absorption, par exemple pour optimiser prioritairement le contraste obtenu.
Il peut aussi être agencé pour fonctionner par modulation de l'indice de réfraction, par exemple pour privilégier la variation de phase.
Dans d'autres modes de réalisation, l'architecture de région active selon l'invention peut aussi être utilisée dans un composant agencé selon une architecture réalisant en particulier :
- un modulateur à transfert de charges, ou
- un photodétecteur, par exemple à cascade quantique, ou
- un émetteur électro-optique, ou
- un commutateur électro-optique , - ou un filtre optique à bande commandée électriquement, ou
- une combinaison de ces types de fonctions.
En effet, le champ d'application de l'invention est potentiellement très large. Outre les composants de conversion utilisés par exemple dans les télécommunications, l'invention s'applique aussi à des composants ou dispositifs tels que les filtres accordables, le routage optique reconfigurable ainsi que des capteurs optiques pour la chimie ou la biologie, et d'autres applications mettant à profit la variation d'absorption ou d'indice.
Il est par exemple possible de réaliser un commutateur en insérant la région active au sein d'un guide d'onde ou d'un faisceau que l'on souhaite interrompre ou autoriser.
De plus, il est envisageable d'utiliser ce type de région active pour réaliser un filtre dont la longueur d'onde de filtrage est commandée de façon électrique, par le réglage de la différence de potentiel appliquée à la région active.
En particulier, les structures quantiques peuvent être des couches essentiellement bidimensionnelles, en particulier planes, formant puits quantiques. Chacun de ces puits quantiques est entouré de chaque côté par au moins une couche bidimensionnelle, en particul ier plane, formant barrière.
De façon avantageuse, un tel composant est agencé pour fonctionner avec une polarisation de la lumière perpendiculaire au plan des couches formant les structu res quantiq ues, ou à u ne surface tangente à ces couches.
Dans un mode de réalisation typique, un modulateur électro-optique selon l'invention comporte une région active incluant trois puits quantiques successifs non couplés.
Par exemple pour un composant accordé sur des fréquences de types télécommunications et plus précisément dans le domaine spectral λ= l,3 μm à λ= l,55 μm, les puits quantiques sont en GaN dopé « N » et présentent une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques (soit environ 1 à 1,5 nm). Ces couches puits quantiques sont alors séparées l'une de l'autre par des couches barrières en AI N non intentionnellement dopé présentant une épaisseur de cinq couches monoatomiques ou plus. Selon une particularité, la région active d'un tel composant est entourée de deux couches de confinement d'une certaine épaisseur, par exemple d'au moins 0,4 micromètre, et est disposée dans une partie en forme d'arête ou de mesa formant un guide d'onde par variation ou par saut d'indice.
Ces couches de confinement sont par exemple en AI0.5Ga0.5N dopées « n ». Elles assurent le confinement optique du mode guidé par saut d'indice et sont aussi utilisées pour former les contacts électriques, jouant ainsi également un rôle de couche de contact.
L'une de ces deux couches de confinement (ou de contact) porte à sa surface une ou plusieurs électrodes d'une première polarité, par exemple une électrode unique sur la plus grande partie de sa surface extérieure, du côté opposé à la région active.
L'autre couche de confinement (ou de contact) porte à sa surface une ou pl usieurs électrodes d'une deuxième polarité, par exemple deux électrodes de même polarité portées à la surface de deux épaulements de la couche de confinement s'étendant de chaque côté de l'axe du guide d'onde.
Le guide d'onde formé par les couches de confinement et la région active peut être par exemple disposé sur au moins une couche tampon en semi conducteur, par exemple un nitrure d'élément du groupe III tel que du AIN . Cette couche tampon est portée elle-même par un substrat, par exemple du saphir.
D'autres configurations connues peuvent aussi être utilisées, utilisant par exemple un substrat conducteur portant une électrode de la deuxième polarité sur sa surface du côté opposé au guide d'onde.
Selon un autre aspect, l 'invention propose un d ispositif ou u n système comprenant au moins un composant tel qu'exposé ici.
Elle propose aussi un procédé de fabrication d'un composant ou d'un d ispositif ou système optoélectron iq ue, com prena nt des étapes de réalisation utilisant des techniques de fabrication connues de l'homme du métier choisies, agencées et combinées pour réaliser un composant tel qu'exposé. Avantages apportés
De façon générale, le composant selon l'invention et en particulier le modulateur présente un grand nombre d'avantages, par exemple en matière de performances mais aussi par une simplification de l'ingénierie et un large domaine d'emploi.
Ces avantages comprennent en particulier :
Meilleur contraste d'intensité : Les avantages apportés par l'invention comprennent en particulier une amélioration du contraste d'intensité, obtenu à température ambiante à environ 14 dB pour une différence de potentiel de 7V et à environ 10 dB pour 5V, dans une bande spectrale allant de 1,2 μm à 1,6 μm. A titre de comparaison, la valeur de 14 dB permet un taux d'erreur à la détection de l'ordre de 10"15 alors que la valeur de 12 dB de l'état de la technique donnait un taux d'erreur de l'ordre de 10"9, soit une amélioration d'un facteur valant 10 à la puissance six.
Meilleur contraste d'indice : Dans le cas d'un modulateur fonctionnant en modulation de phase, la variation de réfraction obtenue est de l'ordre de Δn = 10"2 (0,01), ce qui constitue une amélioration d'un facteur dix.
Amélioration du « chirp » de modulation : On obtient en outre une exaltation de la variation d'indice au voisinage de la ligne d'absorption, ce qui rend le fonctionnement plus stable, en particulier en diminuant la dérive de fréquence lors de la modulation.
Plus grande largeur spectrale de la ligne d'absorption : La spécificité spectrale obtenue est améliorée à environ 100 meV pour une transition de 0,9 eV soit λ= l,38 μ m , ce q u i co n d u it à u n rati o d e Δλ/λ valant environ 25%. Cette largeur spectrale est en particulier largement supérieure par rapport aux modulateurs électro-absorbants à base d'effet Franz-Keldysh ou Stark confiné. Cela permet de meilleures performances ou un traitement aval facilité, par exemple en matière de séparation des canaux.
Ajustement simplifié de la position de la l igne d'absorption : la structure simplifiée des puits quantiques non couplés permet une plus grande liberté de conception de l'architecture de la région active, et donc plus facile à adapter au cahier des charges. En effet, l'ajustement de la position spectrale de la ligne d'absorption se fait par le contrôle de l 'épa isseu r des structu res fo rma nt pu its q u a ntiques. Chacune ne comprenant qu'une seule région continue (puits non couplés) et non deux région couplées comme dans l'état de la technique (puits couplés), le contrôle de l 'épaisseu r de cette rég ion est pl us facile et a moins de répercussions annexes sur d'autre caractéristiques de fonctionnement de l'ensemble.
Pour un modulateur ou un détecteur ou un émetteur, il est ainsi possible d'accorder plus facilement la structure du composant à la longueur d'onde à traiter. Pour le couple GaN/AIN, les transitions ISB peuvent être accordées dans la plage 1,3 μm - 1,55 μm en utilisant des épaisseurs de
GaN de 4 à 6 couches monoatomiques, soit de 1 à 1,5 nm.
Faible sensibilité à la température de la position de la ligne d'absorption, qui permet un fonctionnement plus stable et plus facile à gérer.
Ingénierie de l'indice de réfraction : cet indice peut être ajusté en contrôlant la composition et l'épaisseur des couches de la région active, en particulier pour les structures quantiques.
Large domaine spectral de transparence : permettant d'utiliser ou de traiter des flux lumineux allant du spectre Ultra Violet au proche Infra Rouge.
Maîtrise du confinement du mode optigue : se faisant par contraste d'indice, ce qui apporte performances et simplicité d'ingénierie par exemple pour la conception des circuits.
Valeur de l'indice de réfraction : située aux environs de 2,2, elle permet la réalisation de composants très compacts. Il peut s'agir par exemple de la possibilité de fabriquer des barrettes avec un grand nombre de pixels, par exemple pour l'imagerie.
Caractéristigues électrigues : l'invention permet un faible effet thermique, de l'ordre de 10"5 K"1 pour Δn/ΔT. Elle permet aussi une diminution de la résistivité, autorisant d'utiliser des différences de potentiel de l'ordre de 12V ou 10V voire 5V ou 3V. Cela qui permet une intégration plus facile et plus économique dans de nombreux systèmes électroniques, qui sont souvent alimentés en tension continue inférieure à ces valeurs. Par ail leurs, l'invention permet au composant une bonne tenue mécanique, en température, au flux d'optique et aux radiations ionisantes.
De plus, les matériaux mis en jeu sont d'une nature biocompatible, et peu gênants du point de vue du respect de l'environnement
Les avantages cités ici s'ajoutent en outre aux avantages déjà connus pour l'utilisation de transition ISB.
Rapidité intrinsèque : II s'agit par exemple d'un fonctionnement ultrarapide obtenu entre autre par la rapidité de relaxation ISB via phonons LO : aux environs de 0,15 ps à 0,4 ps, permettant d'envisager par exemple des composants du type commutateur tout optique fonctionnant dans le régime Tbit/s.
Tout ou partie de ces avantages s'appliquent aussi pour de nombreux composants électro-optiques utilisant des transitions interbandes autres que le modulateur, par exemple ceux cités plus haut.
Autres types de composants
II est à noter que des structures de couches de GaN formant puits quantiques sont utilisées dans des composants différents et fonctionnant selon un mécanisme différent, pour réaliser des commutateurs ou switchs tout-optique, comme décrits dans les documents JP 2005 215395 et
JP 2001 108950.
Ainsi le document J P 2005 215395 décrit un conducteur optique réalisant une fonction de switch tout optique, et non pas électro-optique. Ce switch tout-optique comprend un empilement de couches de nitride de semiconducteur formant puits quantiques, dans le but de fonctionner avec une plus faible énergie de commutation.
L'empilement de couches présente la forme d'une arête ou mesa, de largeur décroissante par paliers, formant un guide d'onde optique. Cette arête reçoit une lumière d'entrée par une extrémité d'entrée et émet par u n e extrém ité de so rtie u ne l u m iè re co m m a n d ée pa r tra n siti o n intersousbande et fonctionnant par absorption saturable sous l'action de l'énergie de la lumière d'entrée.
Ce type de composant est typiquement utilisé pour produire un signal lumineux de sortie à partir d'un signal lumineux d'entrée. Il peut s'agir par exemple de régénérer la forme des sig naux au sein d'un conducteur optique, ou de connecter deux circuits optiques entre eux par une liaison du type « photonic cross-connect » (PXC) aussi appelé « transparent cross- connect » (OXC).
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici, selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
les FIGURE la et b illustrent un état de la technique utilisant une vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN séparés par des couches barrières de AIN ;
- la FIGURE 2 est un schéma illustrant le principe d'un modulateur électro-optique dans un mode de réalisation de l'invention, recevant une source lumineuse par la tranche ou selon l'angle de Brewster ;
- la FIGURE 3 est un schéma de principe en coupe illustrant l'architecture du modulateur de la FIGURE 2 ;
- la FIGURE 4 est un schéma de principe en coupe illustrant l'architecture de la région active du modulateur de la FIGURE 2 ;
les FIGURE 5a et b sont des schémas de fonctionnement illustrant la variation d'énergie selon l'épaisseur de la région active de la FIGURE 4,
o FIGURE 5a : avec une différence de potentiel négative, et o FIGURE 5b : avec une différence de potentiel positive ;
- la FIGU RE 6 est une courbe il l ustrant la variation du contraste d'intensité en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes du modulateur de la FIGURE 2, en mode d'illumination par la tranche. Description détaillée des figures
Les FIGURE la et b illustrent un état de la technique décrit par Nevou et al . 2007 (Appl. Phys. Lett. 90, 223511, 2007) et Kheirodin et al . 2008 (IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, plO41-1135 May 1, 2008). Cette publication présente un mod ulateur util isant dans rég ion active une vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN séparés par des couches barrières de AIN.
La FIGU RE I b est une photo en coupe d'une partie de la région active, qui montre environ cinq paires de puits couplés CQW séparés par des couches barrières de 2,7 nm de AIN (en gris foncé). Chacun de ces puits couplés CQW comprend un puits quantique réservoir QWR d'une épaisseur de 3 nm et un puits quantique dopé-n QWN d'une épaisseur de 1 nm, tous deux en GaN (en gris clair) . Au sein de chacun de ces paires de puits couplés CQW, les deux régions en GaN sont séparées par une barrière de couplage BLI d'une épaisseur de 1 nm en AIN (en gris foncé).
La FIGURE la est un graphique représentant l'absorption obtenue (échelle à gauche) en fonction de la longueur d'onde (échelle au dessus) ou de l'énergie (échelle au dessous) de la lumière utilisée.
L'i nsert a u sei n de cette FIG U RE l a représente le mode de fonctionnement d'une paire CQW de ces puits couplés, et les variations d'énergie (échelle à gauche) en fonction de sa structure transversale aux différentes couches (échelle en dessous). La répartition horizontale des variations en dents de scie correspond ainsi à la structure des différentes couches de cette paire CQW de puits couplés, soient successivement de gauche à droite : QWR, puis BLI, puis QWN.
Les FIGURE 2 et FIGURE 3 sont des schémas représentant schématiquement l'architecture d'un modulateur électro-optique dans un exemple de mode de réalisation de l'invention.
En FIGU RE 2 est illustré le principe de fonctionnement d 'un tel modulateur 2. Ce modulateur comprend une région active 23 formant un guide d'onde entre deux régions de confinement 22 et 24. Cette région active est commandée par au moins une électrode 26 d'une première polarité et au moins une électrode (ici répartie en deux éléments 251 et 252) d 'une deuxième polarité commandées par un d ispositif 3 de commande électrique par variation de tension.
Dans une configuration, la région active 23 reçoit un flux lumineux 41 par la tranche. Ce flux est conduit au sein de la région active et en ressort de l'autre côté en un flux lumineux de sortie 42.
Dans une autre configuration, un flux lumineux 411 pénètre à travers la couche de confinement supérieure 24 selon l'angle de Brewster 410, et la traverse jusqu'à la région active 23. Ce flux est alors guidé par cette région active et en ressort en un flux lumineux de sortie 42.
Sous l'effet de la différence de potentiel entre les électrodes 251, 252 d'une part et 26 d'autre part, la région active 24 présente une absorption lumineuse qui varie en fonction de la commande électrique 3 sur une certaine longueur de modulation LM. Le flux lumineux la traversant en resso rt d o n c avec u ne i nte nsité 42 modulée selon la commande électrique 3.
Dans une configuration de modulateur, avec une commande électrique 3 recevant un signal électrique d'entrée, on obtient en sortie un flux lumineux 42 mod ulé en fonction de ce même signal électrique de commande. Cette modulation peut être appliquée à un flux lumineux 41 d'entrée provenant d'une source régulière telle qu'un laser, ou bien être appliquée à un flux lumineux 41 comprenant déjà lui-même un signal.
On peut aussi utiliser la commande électrique 3 pour commander en tout ou rien une absorption du flux lumineux d'entrée 41, et ainsi obtenir une atténuation voire un blocage de ce fl ux d'entrée 41, réalisant un commutateur ou un filtre commandé pour ce flux d'entrée 41.
Les FIGURE 3 et FIGURE 4 représentent plus précisément cet exemple d'architecture de modulateur 2.
Cette architecture est obtenue par croissance successive, selon des procédés connus de l'homme du métier, ou selon ceux cités dans les documents énoncés précédemment.
Sur un substrat 20, par exemple en saphir, on fait croître une couche tampon 21 de 1 μm de AIN. On fait ensuite croître une première couche de confinement 22, ou couche contact, dopée « n », par exemple à 5.1018 cm"3, par exemple d'une de épaisseur de 0,5 μm de Alo.5Gao.5N.
Sur une partie de cette première couche de confinement 22, par exemple dans une partie centrale, on réalise alors la région active 23, représentée plus en détail en FIGURE 4.
Sur une autre partie de la première couche de confinement 22, par exemple des deux côtés autour de la région active 22, on dépose une ou plusieurs couches 251 et 252 conductrices voire métalliques formant une électrode d'une polarité.
Sur la région active 23, on fait alors croître une deuxième couche de confinement 24 ou couche contact, dopée « n », par exemple à 5.1018 cm"3, par exemple d'une de épaisseur de 0,5 μm de Alo.5Gao.5N.
Sur la deuxième couche de confinement 24, on dépose au moins une couche 26 conductrice voire métallique formant une électrode de l'autre polarité.
La FIGURE 4 représente plus en détail la structure en coupe verticale de la région active 23. Pour réaliser cette région active, on fait croître successivement :
- une première couche barrière BLO extérieure en AIN d'au moins 3 nm environ ;
- plusieurs couches quantiques, ici trois couches formant puits quantiques QWl, QW 2 et QW 3 en GaN d'épaisseurs égales, chacune d'une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques soit environ 1 à
1,5 nm ;
- entre les couches puits quantiques QWl, QW 2 et QW 3, on fait croître des couches barrières après chacune et avant la suivante, ici deux couches barrières BLl et BL2, en AIN d'une épaisseur de typiquement 3 nm ;
- une deuxième couche barrière extérieure BL3 en AIN d'au moins 3 nm environ. Les FIGURE 5a et b illustrent le fonctionnement d'un modulateur selon l'invention, dans le mode de réalisation décrit plus haut à trois puits quantiques non couplés. Les trois créneaux en dent de scie vers le bas sont positionnés aux emplacements des couches QWl à QW3 de GaN formant puits quantiques, sur un axe des abscisses représentant la dimension de la région active 23 transversale aux couches quantiques QW et barrières BL.
La FIGURE 6 est illustrant la variation du contraste d'intensité obtenue, en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes du modulateur décrit plus haut, en mode d'illumination par la tranche.
On voit que le contraste obtenu pour une différence de potentiel de +7V est de 14 dB, ce qui constitue une performance intéressante par rapport à l'état de la technique. Le contraste de 10,2 dB est une performance moins bonne dans l'absolu, mais est ici obtenu avec une différence de potentiel moins importante à -5V, ce qui permet la réalisation d'un composant nécessitant une moindre tension, par exemple avec une alimentation de plus basse tension . On obtient ainsi un bon rapport entre les performances et les contraintes d 'ingénierie sur le plan du circuit électrique. En particulier, cette différence de potentiel de 5V est compatible avec une tension d'alimentation de 5V qui est un standard extrêmement courant dans le domaine des petits appareils électriques ainsi que des composants et circuits intégrés en général.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant (2) électro-optique à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III, du type comprenant au moins une région active (23) incluant au moins deux couches barrières dites extérieures (BLO, BL3) entourant une ou pl usieu rs structu res q u a nti q ues (QW l , QW2 , QW3 ) d opées « N », caractérisé en ce que ladite ou lesdites structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières (BLO, BLl, BL2, BL3) non intention nel lement dopées d 'une épaisseur d 'au moins cinq couches monoatomiques.
2. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une région active (23) incluant une pluralité de structures quantiques successives (QWl, QW2, QW3) séparées deux à deux par une zone barrière non intentionnellement dopée (BLl, BL2), d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.
3. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures quantiques (QWl, QW2, QW3) comprennent en majorité du Nitrure de Gallium et les zones barrières (BLO, BLl, BL2, BL3) comprennent en majorité du Nitrure d'Aluminium et/ou du AIGaN.
4. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur des structures quantiques (QWl, QW2, QW3) est déterminée pour accorder ledit composant (2) sur une longueur d'onde comprise de plus de 1,0 μm, notamment entre 1,0 μm et 1,7 μm.
5. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente une architecture réalisant un modulateur électro-optique à absorption.
6. Composant selon l'une quelconque des revendication s 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente une architecture réalisant un modulateur électro-optique à variation de phase.
7. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une architecture réalisant :
- un modulateur à transfert de charges, ou
- un photodétecteur, par exemple à cascade quantique, ou
- un émetteur électro-optique, ou
- un commutateur électro-optique ,
- ou un filtre optique à bande commandée électriquement, ou
- une combinaison de ces types de fonctions.
8. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures quantiques (QWl, QW2, QW3) sont des couches bidimensionnelles formant puits quantiques entourées chacune par des couches bidimensionnelles formant barrière.
9. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé pour fonctionner avec une polarisation de la l umière (41 , 42) perpend iculaire au plan des couches formant les structures quantiques (QWl, QW2, QW3).
10. Composant selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les puits quantiques (QWl, QW2, QW3) sont en GaN dopé « N » et p rése nte nt u ne é pa isse u r d e q u atre à s ix couches monoatomiques, et sont séparés par des couches barrières (BLO, BLl, BL2, BL3) en AIN non intentionnellement dopé présentant une épaisseur de plus de quatre couches monoatomiques.
11. Composant selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la région active (23) comprend trois puits quantiques (QWl, QW2, QW3).
12. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la région active (23) est entourée de deux couches de confinement (22, 24) d'une épaisseur d'au moins 0,4 micromètre, et est disposée dans une partie en forme d'arête (200) ou de mesa formant un guide d'onde par contraste d'indice.
13. Dispositif ou système comprenant au moins un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Procédé de fabrication d'un composant ou dispositif ou système selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant au moins une étape utilisant le contrôle de l'épaisseur des structures formant puits quantiques pour ajuster la position spectrale de la ligne d'absorption et/ou l'indice de réfraction.
15. Procédé de fabrication de composant ou de dispositif ou système optoélectronique comprenant des étapes sélectionnées, définies et combinées de façon à réaliser un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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