FR2971344A1 - Dispositif de cristaux photoniques. - Google Patents

Abstract

Un dispositif de cristaux photoniques comprend un empilement sur un substrat (3) d'une première couche (5) ayant un premier indice optique et d'une deuxième couche (9) ayant un deuxième indice optique supérieur au premier. La deuxième couche comprend une pluralité de silos (7) disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, chaque silo comprenant un matériau solide ayant un troisième indice optique, la deuxième couche avec la pluralité de silos formant un réseau de Bravais 2D de cristaux photoniques.

Description

DISPOSITIF DE CRISTAUX PHOTONIQUES. La présente invention concerne un dispositif de cristaux photoniques.

Pour mémoire, un cristal photonique est une structure artificielle périodique qui, lorsque la période est de l'ordre de la longueur d'onde, possède une bande interdite pour les photons par analogie au gap des électrons dans les semi-conducteurs. Dans le domaine de l'optique intégrée les cristaux photoniques sont utilisés pour réaliser des structures guidantes ayant de nombreuses propriétés physiques comme le routage, le (dé)-multiplexage, l'effet superprisme ou encore la réfraction négative. Dans le domaine de la nanoélectronique à haute densité d'intégration la miniaturisation des composants montre qu'il apparaît nécessaire d'intégrer dans un même système des fonctionnalités optiques et des fonctionnalités électroniques. Or les structures et les procédés de fabrication de ces différentes fonctionnalités ne sont pas toujours compatibles. Ainsi les composants électroniques sont réalisés sous forme d'un empilement de couches de différents matériaux, le tout étant mis en forme par un ensemble d'étapes technologiques de type diffusion, implantation ionique, lithographie, gravure et métallisation. Les (nano)-structures photoniques peuvent être réalisées par des technologies de type MESA, c'est-à-dire une forme en relief de plateaux et de vallées formant par exemple un guide ruban, ou plus récemment par des cristaux photoniques généralement obtenus par gravure de trous selon une structure périodique bi ou tridimensionnelle appartenant aux réseaux de bravais. De ce fait, l'intégration se fait généralement sous forme de modules hybrides. Cette solution a pour inconvénient d'augmenter les coûts de fabrication en multipliant les étapes de fabrication. De plus, la fabrication des modules hybrides impliquent des problématiques de positionnement des modules pour que les guides d'onde s'alignent en face des photodédecteurs, par exemple.

Il serait donc avantageux d'obtenir des dispositifs dans lesquels les technologies optiques et électroniques seraient compatibles de façon à obtenir l'intégration de toutes les fonctions sur un même support ainsi que, si possible, une fabrication simultanée.

Pour résoudre un ou plusieurs des inconvénients cités précédemment, un dispositif de cristaux photoniques comprend un empilement sur un substrat d'une première couche ayant un premier indice optique et d'une deuxième couche ayant un deuxième indice optique supérieur au premier. La deuxième couche comprend une pluralité de silos disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, chaque silo comprenant un matériau solide ayant un troisième indice optique, la deuxième couche avec la pluralité de silos formant ainsi un réseau de Bravais 2D de cristaux photoniques. Ainsi, avantageusement, les dispositifs à cristaux photoniques intégrés peuvent être construits directement à partir de composants de type MOSFET appartenant à des technologies CMOS sur SOI. Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont : - la deuxième couche est en outre recouverte au moins partiellement par une couche ayant un quatrième indice optique inférieur au deuxième et au troisième, et la structure a un empilement de premières, deuxièmes et quatrièmes couches, tel que le dispositif crée un confinement optique par réflexion totale interne dans l'axe de croissance de ces différentes couches ; ^ il présente un diagramme de bande pouvant comporter une bande interdite pour un rayonnement ayant une longueur d'onde de même ordre de grandeur que la période de la structure ; - la structure périodique bidimensionnelle présente au moins un défaut sous forme d'un silo différent, et/ou manquant et/ou surnuméraire permettant de réaliser des fonctions de routage, filtrage ou de réfraction négative ; - il comprend une pluralité de défauts sous forme de silos différents, manquants ou supplémentaires disposés sous forme d'une bande suivant un des axes cristallographiques de sorte que ladite bande forme un guide d'onde dont le mode est confiné verticalement dans la deuxième couche ; - les silos forment une bande perpendiculaire à un axe cristallographique de sorte à former une lentille plate à indice de réfraction négatif ; - il présente des propriétés de métamatériaux pour une onde lumineuse ayant une longueur d'onde prédéterminée injectée dans le plan ou normalement au plan de périodicité ; - le contraste d'indice optique entre les silos et les interstices du cristal photonique soit très grand de sorte que la période de la structure est sensiblement dix fois inférieure à la longueur d'onde prédéterminée et/ou la perméabilité et/ou la permittivité sont négatives ; - les matériaux des couches et des silos sont des matériaux organiques de type polymère ; - les matériaux des couches et des silos sont des matériaux semi- conducteurs ; - au moins un silo comprend un dispositif électronique de modulation de l'indice optique du silo par modulation de la densité de charges électriques dans au moins une partie du silo ; - le dispositif électronique est un transistor MOSFET et que l'indice optique est modulé par une tension électrique appliquée sur la grille du transistor MOSFET et/ou entre le drain et la source du transistor MOSFET ; - la première couche déposée sur un substrat de silicium est une couche d'oxyde de silicium, la deuxième couche en silicium contenant des silos en oxyde de silicium contenant des silos de silicium plus petits de sorte que l'association de chaque grand et petit silo forme un transistor MOSFET sur SOI à caissons d'isolation en oxyde de silicium ; l'ensemble pouvant comporter des défauts de un ou plusieurs transistors avec ou sans oxyde d'isolation ; et/ou - il comprend en outre une pluralité d'empilement de secondes couches ou de premières et secondes couches de façon à former un cristal photonique tridimensionnel ou un métamatériau. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d'exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles : - les figures 1A, 1B, 1C et ID sont des schémas en perspective d'un mode de réalisation de cristaux photoniques selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe dans la couche contenant les silos 7 du mode de réalisation de la figure 1 ; - la figure 3 A est une première variante du mode de réalisation de la figure 1 et 3B la vue en coupe associée ; - la figure 4 est une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 1 ; - les figures 5 sont des vues en coupe d'une variante du mode de réalisation de la figure 4 comportant des défauts qui sont des transistors sans isolation en oxyde de silicium. En A, une structure de guide droit formé par une rangée de défauts et le diagramme de bande associé dans la direction du guide. En B, une structure de filtrage directif composée de deux guides parallèles séparés par une cavité résonnante. En C, une lentille plate à indice de réfraction négatif, le schéma associé montre la focalisation d'une source ponctuelle placée à gauche de la lentille ; et - la figure 6 est un graphe représentant des mesures optiques. Il montre l'évolution de l'indice du silicium sous la grille modulé par une tension drain-source dans un transistor MOSFET.

En référence à la figure 1A, un dispositif 1 de cristaux photoniques comprend un empilement sur un support 3 d'une première couche 5 ayant un premier indice de réfraction optique, abrégé ci-après en indice optique.

Le support 3 est typiquement un substrat de silicium monocristallin, la couche 5 est de l'oxyde de silicium. Sur cette tranche, un procédé de gravure sélective permet d'obtenir, figure 1B, une pluralité de silos 7 en oxyde de silicium disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, figure 1C. L'interstice 9 entre les silos est comblé, par exemple par un procédé de dépôt, par un matériau ayant un deuxième indice optique. L'interstice 9 entre les silos correspond typiquement à du silicium. Comme il est connu, l'indice optique du silicium des couches 3 et 9 est égal à 3,45 et est supérieur à l'indice optique de l'oxyde de silicium de la couche 5 et des silos 7 égal à environ 1,45. L'ensemble de la structure pourrait être encore recouverte par une couche d'oxyde de silicium, notamment dans un cas particulier d'un réseau de silos et d'interstices ayant un indice supérieur à l'oxyde de silicium. La figure 1 D est une vue tridimensionnelle du cristal photonique obtenu avec une maille cubique. Bien que les figures 1B, C et D, représente des silos parallélépipédiques, ceux-ci peuvent avoir des formes variées. En particulier, les phénomènes physiques de gravure et de dopage arrondissent les angles de façon plus ou moins importante.

La pluralité de silos 7 insérés dans une couche de silicium 9 forme un cristal photonique qui appartient aux réseaux de Bravais 2D. Par exemple la symétrie choisie sur la figure 2 correspond à une maille hexagonale (ou triangulaire) symbolisée par la zone de Brillouin FKM. La distance entre le centre de deux silos selon un de ces axes définit la périodicité notée a du cristal photonique sur cet axe. A titre d'exemple, pour une structure photonique fonctionnant à 1.55pm, le support 3 a une épaisseur de 375pm, la couche 5 une épaisseur de 375 nm et la deuxième couche 9 avec ses silos 7 une épaisseur de 150 à 200 nm. Ces épaisseurs sont basées sur une technologie de transistor CMOS-130 nm sur SOI comportant des caissons d'isolation en oxyde de silicium. Cette configuration permet de construire un cristal photonique fonctionnant autour de 1.55 pm directement à partir des briques de base technologiques d'un circuit intégré. Il est à noter que ce type de dispositif à cristaux photoniques intégrés offre la possibilité de travailler avec des technologies de tailles très différentes. En effet, pour travailler à une longueur d'onde donnée, en s'appuyant sur une technologie bien choisie, il suffit d'adapter les paramètres opto-géométriques du cristal photonique comme la période. A titre d'exemple, la description qui suit détaille cette réalisation de cristal photonique en vue d'une intégration sur un circuit en technologie 10 CMOS sur SOI. Dans une première variante, le dispositif 1 est complété, figure 3 A et 3B, par la réalisation d'un silo de silicium 11 inséré dans le silo d'oxyde de silicium 7. Cette structure permet de réaliser un cristal photonique à partir d'un réseau de transistors MOSFET sur SOI à caissons d'isolation utilisant une 15 technologie mise au point et largement développée. Dans cette première variante le cristal photonique est obtenu par un réseau de transistors sans la réalisation des contacts de grille, drain et source. Le cristal photonique est construit uniquement à partir des différentes couches de silicium et de SiO2 constituant un transistor MOSFET sur SOI. Ce type de structure en cristal 20 photonique directement intégrable sur une technologie MOSFET SOI possède l'avantage de contrôler la lumière dans toutes les directions de l'espace. Dans la direction d'empilement des différentes couches, la lumière est confinée par réflexion totale interne, dans le plan du cristal photonique la lumière est contrôlée par effet de bande interdite par exemple. 25 Dans une deuxième variante, figure 4, une couche d'oxyde de silicium 13 recouvre au moins partiellement les silos 11. Ces silos 11 comprennent des transistors MOSFET complets comportant une grille 15, un drain 17 et une source 19 avec les dopages nécessaires et les contacts métalliques. Ce sont par exemple des transistors à déplétion partielle ou totale. L'oxyde de 30 silicium de la deuxième couche 7 correspond à un caisson d'isolation pour ces transistors. Comme il est explicité plus loin, l'ajout des éléments de polarisation du transistor introduit un concept très original basé sur la modulation du cristal photonique par un nombre choisi de motifs de répétitions, permettant de nombreuses architectures de modulation optique. Ainsi, la fabrication du cristal photonique utilise les techniques classiques de la microélectronique (dépôt, gravure, lithographie, etc.) et est donc totalement compatible avec la fabrication de circuit MOS sur SOI permettant de réaliser les fonctions électroniques classiques. La réalisation de fonctions optiques peut être obtenue d'une part en utilisant le cristal sans défaut en régime de bande interdite par exemple. D'autre part par l'insertion de défauts dans la structure du cristal photonique permet de piéger les photons de manière à réaliser des structures de confinement. Par défaut, on entend l'ajout ou la suppression, sans forcément respecter la périodicité, de silos de tout type dans la structure par analogie avec un défaut dans un cristal lié au manque d'un atome ou, au contraire, à la présence d'un atome surnuméraire.

Dans un premier exemple, figure 5A une bande de transistors 31 sans les isolations en SiO2, permet de réaliser un défaut linéique constituant un guide optique selon un des axes cristallographiques, FK. En positionnant une source lumineuse de longueur d'onde à l'entrée de cette bande et en choisissant bien la périodicité des silos, il est possible de réaliser un guide d'onde monomode. En effet, figure 5A, le diagramme de bande du guide dans la direction du guide montre en 33 des plages spectrales monomodes notamment autour du point a/2 = 0,25 où a est le pas de périodicité des silos dans une maille hexagonale. Le point de fonctionnement 35 en bord de bande interdite indique le point à partir duquel le mode n'est plus guidé.

Dans un second exemple, figure 5B, deux guides parallèles sont couplés par une cavité résonnante de manière à réaliser un filtre directif à insertion-extraction appelé « Add-drop ». Dans un troisième exemple, figure 5C, le dispositif forme une bande de silos sans défauts disposés perpendiculairement à une source lumineuse pour former une lentille plate à indice de réfraction négatif. Par ailleurs, l'utilisation de transistor MOSFET dans les silos permet de créer une modulation de l'indice optique du silicium sous la grille qui permet de moduler le champ optique guidé dans la structure photonique. En effet, en utilisant les polarisations VpS (drain-source) et/ou Vcs il est possible d'injecter des porteurs dans le canal drain-source, sous la grille. Cette injection ou désertion de porteurs permet de moduler l'indice optique sous la grille et donc de moduler le champ optique guidé dans cette couche. A titre d'exemple, les architectures de la figure 5A et 5B montrent que l'effet de modulation optique par les transistors est dans ce cas particulièrement intéressant là où la lumière est confinée, c'est-à-dire dans le défaut. Dans cette configuration, il est nécessaire d'enlever les isolations en oxyde de silicium qui isolent la partie modulée par le transistor du champ optique. Par exemple, la figure 5A montre qu'en modulant l'indice on pourra passer des points de type 33 à 35 de manière à réaliser un modulateur optique. En d'autres termes on contrôle l'état du guide, passant ou bloquant, en modulant la polarisation des transistors.

On réalise ainsi un modulateur optique par effet d'injection ou de désertion de charges (selon le type N ou P) dans un transistor à effet de champ. Des mesures expérimentales réalisées dans le laboratoire de l'inventeur montrent l'évolution de la variation d'indice du silicium sous la grille en fonction de la polarisation, figure 6, à partir d'un transistor MOSFET AMS Bi-CMOS de largeur de grille 0,35 pm. Ces mesures ont été réalisées par éclairement laser de la grille non-métallisée ; la variation de l'indice étant obtenue par des mesures en réflexion. Une variation maximale de l'indice de l'ordre de 3. 10-3 a été mesurée avec un transistor saturé à environ 500 pA pour une tension grille-source de 3,3V.

L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention a cette seule description. De nombreuses autres variantes de réalisation sont possibles. Par exemple, les premières et deuxièmes couches peuvent être usinées et empilées successivement pour former un réseau tridimensionnel de plots de SiO2 dans du silicium par exemple. Ceci permettrait d'obtenir un cristal photonique tridimensionnel.

La variation d'indice optique peut se faire en utilisant un autre dispositif qu'un transistor MOSFET tel que, par exemple, une jonction PN ou une capacité. Il est également possible d'obtenir des comportements optiques de type métamatériaux. Pour rappel les métamatériaux sont des matériaux dont la structuration est au moins dix fois plus petite que la longueur d'onde. Par exemple, dans une configuration de silos à très hauts indice dans une couche de SiO2 ou de silicium, on peut s'approcher d'un comportement méta matériaux dans lequel on pourra obtenir une perméabilité et une permittivité négative. L'effet de modulation du courant dans le canal du transistor permet justement d'entrevoir une nouvelle classe de méta matériaux intégrés dont la perméabilité, dans cet exemple, pourrait être modulée par un effet transistor. Enfin, on notera que bien que cette description s'appuie sur des technologies et des matériaux semi-conducteurs, il est également possible d'utiliser des matériaux organiques tels que des polymères ou bien des matériaux métalliques et cela, en respectant les propriétés d'indice optique telles que décrites ci-dessus. D'autres applications dans le domaine des capteurs biochimiques basées sur la modulation ou non d'une structure en cristal photonique intégrée, découlent directement de la présente invention. Par exemple, il est envisageable de détecter le greffage de molécules biochimiques sur les silos ou une autre partie du cristal photonique. Par modification de l'indice des silos induit par ce greffage, il apparait un déplacement fréquentiel des modes optiques guidés.

Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclue pas d'autres éléments et l'article indéfini « un/une » n'exclue pas une pluralité.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de cristaux photoniques comprenant un empilement sur un substrat (3) d'une première couche (5) ayant un premier indice optique et d'une deuxième couche (9) ayant un deuxième indice optique supérieur au premier, ladite deuxième couche comprenant une pluralité de silos (7) disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, chaque silo comprenant un matériau solide ayant un troisième indice optique, la deuxième couche avec la pluralité de silos formant un réseau de Bravais 2D de cristaux photoniques.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième couche est en outre recouverte au moins partiellement par une couche (13) ayant un quatrième indice optique inférieur au deuxième et au troisième, et la structure a un empilement de premières, deuxièmes et quatrièmes couches, tel que le dispositif crée un confinement optique par réflexion totale interne dans l'axe de croissance de ces différentes couches.
3. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente un diagramme de bande pouvant comporter une bande interdite pour un rayonnement ayant une longueur d'onde de même ordre de grandeur que la période de la structure.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure périodique bidimensionnelle présente au moins un défaut sous forme d'un silo différent, et/ou manquant et/ou surnuméraire permettant de réaliser des fonctions de routage, filtrage ou de réfraction négative.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de défauts sous forme de silos différents, manquants ou supplémentaires disposés sous forme d'une bande suivant un des axes cristallographiques de sorte que ladite bande forme un guide d'onde dont le mode est confiné verticalement dans la deuxième couche.
6. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les silos forment une bande perpendiculaire à un axe cristallographique de sorte à former une lentille plate à indice de réfraction négatif.
7. 7. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente des propriétés de métamatériaux pour une onde lumineuse ayant une longueur d'onde prédéterminée injectée dans le plan ou normalement au plan de périodicité. 15
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce le contraste d'indice optique entre les silos et les interstices du cristal photonique soit très grand de sorte que la période de la structure est sensiblement dix fois inférieure à la longueur d'onde prédéterminée et/ou la perméabilité et/ou 20 la permittivité sont négatives.
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matériaux des couches et des silos sont des matériaux organiques de type polymère.
10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les matériaux des couches et des silos sont des matériaux semi-conducteurs. 30
11. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un silo comprend un dispositif électronique de modulation de l'indice optique du silo par modulation de la densité de charges électriques dans au moins une partie du silo. 25
12. 12.Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif électronique est un transistor MOSFET et que l'indice optique est modulé par une tension électrique appliquée sur la grille du transistor MOSFET et/ou entre le drain et la source du transistor MOSFET.
13. 13. Dispositif selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que la première couche déposée sur un substrat de silicium est une couche d'oxyde de silicium, la deuxième couche en silicium contenant des silos en oxyde de silicium contenant des silos de silicium plus petits de sorte que l'association de chaque grand et petit silo forme un transistor MOSFET sur soi à caissons d'isolation en oxyde de silicium.
14. 14. Dispositif selon la revendication 13, comportant des défauts selon la revendication 4 de un ou plusieurs transistors avec ou sans oxyde 15 d'isolation.
15. 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que qu'il comprend en outre une pluralité d'empilement de secondes couches ou de premières et secondes couches de façon à former un cristal photonique tridimensionnel 20 ou un métamatériau.