FR2979037A1 - Dispositifs a semi-conducteur contraint en tension de detection et d'emission photonique et systeme photonique integre - Google Patents

Dispositifs a semi-conducteur contraint en tension de detection et d'emission photonique et systeme photonique integre Download PDF

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Abstract

Du germanium contraint par traction est prévu qui peut être suffisamment contraint pour fournir un matériau à bande interdite presque directe ou un matériau à bande interdite directe. Les matériaux de stresseur contraint par compression ou contraint par traction en contact avec des régions en germanium induisent une contrainte de traction uniaxiale ou biaxiale dans les régions en germanium. Des matériaux de stresseur peuvent comprendre du nitrure de silicium ou du silicium-germanium . La structure en germanium contraint résultante peut être utilisée pour émettre ou détecter des photons, y compris, par exemple, pour la génération de photons dans une cavité résonante pour produire un laser.

Description

1 DISPOSITIFS D'EMISSION ET DE DETECTION DE PHOTONS A SEMI-CONDUCTEUR CONTRAINT PAR TRACTION ET SYSTEME PHOTONIQUE INTEGRE La présente invention concerne généralement des systèmes optiques qui comprennent des dispositifs d'émission de lumière à semi-conducteurs ou des détecteurs de lumière à semi-conducteurs. Plus spécifiquement, la présente invention concerne des dispositifs d'émission ou de détection de lumière à semi-conducteurs qui incorporent un matériau semi-conducteur du groupe IV contraint dans une région active. Il y a un intérêt ininterrompu pour l'utilisation de matériaux semi-conducteurs du groupe IV dans des systèmes photoniques du fait de la facilité de fabrication de ces systèmes et de la facilité d'intégration de ces photoniques du groupe IV avec des éléments de circuit. Le silicium, le germanium et leurs alliages sont les semi- conducteurs du groupe IV les plus fréquemment envisagés pour des systèmes photoniques. Par exemple, une émission de lumière à partir du silicium ou dans le silicium est d'un grand intérêt. Le silicium et le germanium présentent une bande interdite indirecte, ainsi que leurs alliages dans leur gamme entière de compositions. De manière classique, ce ne sont pas des matériaux efficaces pour une émission de lumière parce que la bande de conduction impliquée dans une transition optique directe n'est pas occupée, de sorte qu'il n'existe essentiellement aucune paire électron-trou qui puisse se recombiner et générer un photon directement sans la contribution supplémentaire d'une autre entité telle qu'une vibration de maille ou une impureté.
Une manière rentable pour intégrer des fonctions photoniques dans des puces ULSI à base de silicium telles que des processeurs multicoeur ou une mémoire à la pointe de la technologie ouvrirait la voie à des changements d'architecture ambitieux et à une amélioration des performances pour l'informatique moderne. Une application suggérée de ces fonctions photoniques est de remplacer certaines des interconnexions intra-puce en cuivre dans les puces ULSI modernes, par exemple pour acheminer des données d'un coeur de processeur à un autre, où les deux coeurs sont sur la même puce en silicium physique. En même temps, une solution pratique à base de photoniques du groupe IV pourrait fournir des avantages de réduction de coût extrêmes lors de la fabrication de systèmes photoniques plus classiques. Les manières principales d'incorporer des photoniques avec des flux de processus CMOS existants comprennent les options topologiquement distinctes suivantes : i) fabriquer les composants optiques avant le transistor ; ii) fabriquer les composants optiques après l'intégration des transistors, c'est-à-dire soit avant, soit avec, soit directement après les couches d'interconnexion métalliques ; ou iii) fabriquer une couche optiquement compatible en utilisant des semi-conducteurs du groupe IV qui peuvent être attachés à des puces ULSI par l'un de divers mécanismes. Les mécanismes d'attachement peuvent comprendre une liaison de tranche semi-conductrice, un conditionnement conjoint de plusieurs puces les unes à la suite des autres, où elles sont liées par fils ou connectées par des caractéristiques dans le boîtier, et un empilement de puces et une connexion de celles-ci, par exemple en utilisant des vias d'interconnexion à travers le silicium (TSVs). L'utilisation d'une couche optique séparée permet de découpler les défis de fabrication et les étapes d'intégration critiques rencontrées dans la fabrication d'interconnexions électriques de transistors et de ULSI de celles requises pour la couche optique. D'autre part, il est avantageux d'émettre de la lumière de la puce pour éviter des problèmes de couplage et d'alignement qui doivent autrement être résolus. Une émission de lumière de la puce est un grand défi lors de l'utilisation de semi-conducteurs du groupe IV en tant que matériau d'émission de lumière optiquement actif dans la couche optique. La littérature rapporte une émission de lumière dans le silicium en utilisant l'effet Raman pour convertir une lumière délivrée de l'extérieur d'une certaine longueur d'onde en une longueur d'onde différente. Une émission de lumière utilisant l'effet Raman est un processus à faible rendement. Un système optique ou une couche optique comporte généralement plusieurs composants fonctionnels. Une couche optique comprend habituellement une source de lumière, peut-être avec un filtre de bande passante intégré pour sélectionner dans un large spectre la longueur d'onde, c'est-à-dire la « couleur » de lumière utilisée. La source de lumière peut être un laser qui émet une lumière cohérente ou une diode électroluminescente. La source de lumière peut être soit directement modulée, par exemple, en modulant le courant à travers la source de lumière, similaire à l'allumage et l'extinction d'une lampe à incandescence (haut et bas), ou en modulant des informations sur le « faisceau de lumière » par l'intermédiaire d'un composant séparé à l'extérieur de la source de lumière, c'est-à-dire, en utilisant un modulateur. Des modulateurs externes sont connus dans l'état de l'art, comprenant des modulateurs en anneau et des modulateurs Mach-Zehnder.
Une couche optique comprend habituellement au moins un guide d'ondes qui peut acheminer la lumière sous la forme d'une onde continue ou sous une forme modulée, c'est-à-dire, en tant que signal, d'un point à un autre. Les considérations de performances de guide d'ondes comprennent une atténuation, le degré auquel la lumière est perdue par longueur unitaire, par exemple du fait d'une diffusion de lumière ou du fait d'une absorption de lumière dans le guide d'ondes ou un matériau adjacent. Une autre mesure de performance importante est la capacité du guide d'ondes à renvoyer une lumière guidée dans une autre direction avec un petit rayon de renvoi sans perte significative de lumière. Des rayons de renvoi serrés peuvent être obtenus, par exemple, en utilisant des guides d'ondes à confinement élevé dans lesquels l'indice de réfraction du guide est considérablement plus élevé que dans le volume environnant de sorte que l'intensité de l'onde de lumière est surtout transportée à l'intérieur du volume du guide d'ondes. L'interaction entre un rayon de renvoi et une perte de la partie évanescente de l'intensité de lumière à l'extérieur du guide d'ondes est un paramètre important pour la conception de modulateurs en anneau ou de commutateurs d'acheminement. Des angles de renvoi serrés peuvent également être facilement obtenus au moyen de miroirs pour lesquels l'angle entre la direction de la lumière entrante et la normale à la surface du miroir est sensiblement identique à celui entre la direction de la lumière sortante et la direction normale au miroir. Un autre aspect est le degré auquel le guide d'ondes maintient une polarisation donnée de la lumière. Une couche optique comprend habituellement un élément d'acheminement ou de commutation qui reçoit la lumière provenant d'un guide d'ondes entrant et qui sélectionne, parmi un certain nombre de guides d'ondes sortants, un ou plusieurs guides d'ondes qui transporteront la lumière sortante. Un miroir peut être imaginé comme un élément d'acheminement avec des guides d'ondes entrant et sortant. D'autres exemples pour ces éléments comprennent des coupleurs de guide d'ondes en réseau, des coupleurs à interférence multimodes et des coupleurs en anneau.
Une couche optique comprend habituellement un détecteur qui mesure l'intensité de la lumière entrante avec précision et à des vitesses élevées. Souvent les détecteurs sont des photodiodes polarisées en inverse. La sensibilité et le rendement quantique externe et interne des photodiodes devraient être de préférence élevés pour la longueur d'onde de lumière à détecter. Souvent leurs vitesses sont limitées par la valeur RC, le produit entre la capacitance du détecteur (capacitance de jonction et capacitance parasite) et la valeur de résistance et la capacitance des conducteurs menant à la jonction polarisée en inverse. La valeur RC mesure le temps pour que les porteurs de charge générés au niveau de la jonction du détecteur puissent délivrer un courant détectable au niveau de la borne du détecteur électrique, c'est-à-dire, la vitesse externe du détecteur. Une couche optique comprend habituellement une électronique de commande, soit sur la même couche optique soit dans une couche séparée, par exemple, dans la puce CMOS pour laquelle la couche photonique réalise une partie de l'interconnexion. Des spécifications de bande passante de transmission de données futures, par exemple entre des bâtis électroniques dans des fermes de serveurs, d'une carte à une autre carte, d'un processeur à une carte de circuit électrique ou à une mémoire, continueront de se développer dans une plage de bande passante de données de plusieurs Tbit/s. Les composants optiques courants pour des sources de lumière, des modulateurs ou même des détecteurs ne peuvent pas fonctionner à ces fréquences. Plus spécifiquement, la capacité de placer des informations sur un faisceau de porteuse, soit par une modulation directe de sources de lumière, soit au moyen d'un modulateur, ne dépasse pas actuellement des fréquences de plusieurs dizaines de Gbit/s. Par conséquent, une approche dans laquelle de multiples faisceaux de lumière (équivalents à un nombre de lignes de bus) sont utilisés pour transmettre les données en parallèle est nécessaire pour obtenir des bandes passantes de système de l'ordre du Tbit/s. Si les faisceaux de lumière transportant les informations ont différentes longueurs d'onde, de multiples signaux de porteuse peuvent être transmis à travers un guide d'ondes unique et des coupleurs. Une telle méthode appelée multiplexage par répartition en longueurs d'onde (WDM) est bien connue en télécommunication. Une multitude de connexions point-à-point utilisant la même longueur d'onde ou des longueurs d'onde similaires peuvent être imaginées et des guides d'ondes peuvent même se croiser, étant donné que les faisceaux de lumière n'interagissent pas les uns avec les autres. Il est souhaitable de construire un tel système WDM ou un réseau de connexions point-à-point dans une couche optique unique pour réduire les coûts. Plusieurs procédés pour générer une lumière dans une couche optique sont connus. Un procédé est le laser hybride, qui effectue une amplification de lumière en laissant une certaine énergie lumineuse guidée dans un guide d'ondes en silicium atteindre ou s'étendre dans un matériau à puits multiquantiques à base d'InP optiquement actif, dans lequel l'amplification de lumière est obtenue en pompant électriquement les transitions optiquement actives dans le matériau à base d'InP à bande interdite directe. Un autre procédé de l'art antérieur utilise une réduction de la bande interdite directe du germanium qui est réalisée par la contrainte biaxiale du germanium. La contrainte a lieu du fait d'une absence de correspondance entre les coefficients de dilatation thermique du germanium et du substrat sur lequel le germanium est déposé à une étape de processus à température élevée. Lors de l'abaissement de la température, le germanium devient contraint par traction biaxialement à un faible degré, généralement inférieur à 0,3 %. Dans ce cas, la contrainte n'est pas suffisamment forte pour transformer totalement le germanium en un matériau à bande interdite directe et la transition énergétiquement la plus faible de la bande de conduction à la bande de valence du germanium continue d'être une transition qui n'est pas optiquement possible (c'est-à-dire qu'elle est indirecte et implique une autre quasi-particule telle qu'un phonon ou une vibration de maille). La prédominance de la transition de bande indirecte est contrée par le dopage d'une région active du dispositif d'émission de lumière très fortement de type n, de sorte que les états dans la vallée de bande de conduction la plus basse soient peuplés. Sous un niveau élevé d'injection électrique de porteurs dans la région n+, les porteurs (électrons) se répandent de la vallée de bande de conduction pour laquelle une transition optique est interdite (bande interdite indirecte) dans la vallée de bande de conduction énergétiquement légèrement plus élevée pour laquelle la transition optique est possible (bande interdite directe). La transition interdite devient saturée, et les porteurs se répandent dans les états de transition de bande interdite directe plus efficaces. Lorsqu'une lumière est générée de la puce, c'est-à-dire à l'intérieur de sa couche optique, les couches optiques peuvent utiliser des matériaux homogènes ou un système de matériaux hétérogènes. Dans un système de matériaux homogènes, la lumière est émise et détectée dans un matériau qui est chimiquement sensiblement le même pour tous les composants du système, tels que la source de lumière, le guide d'ondes, le modulateur, le commutateur ou le détecteur. Dans un système de matériaux hétérogènes, la lumière est émise dans un matériau qui est chimiquement différent du matériau du guide d'ondes ou du détecteur. Un aspect de la présente invention propose un dispositif optique ayant une région en germanium en contact avec une pluralité de régions de stresseurs. La pluralité de régions de stresseurs induisent une contrainte de traction dans la région en germanium. La contrainte de traction dans au moins une partie de la région en germanium est suffisante pour amener une partie de la région en germanium à avoir une bande interdite directe. Une jonction est positionnée dans ou adjacente à la partie de la région en germanium, la jonction ayant un premier côté avec un premier type de porteurs majoritaires et un deuxième côté avec un deuxième type de porteurs majoritaires. Des premier et deuxième contacts sont respectivement couplés au premier côté de la jonction et au deuxième côté de la jonction. Selon un autre aspect de la présente invention, un dispositif optique comprend des première et deuxième régions en germanium. La première région en germanium est en contact avec un premier stresseur par traction de sorte que la première région en germanium présente une contrainte de traction biaxiale dans au moins une première partie de la première région en germanium. La deuxième région en germanium est en contact avec un deuxième stresseur par traction de sorte que la deuxième région en germanium présente une contrainte de traction biaxiale dans au moins une deuxième partie de la deuxième région en germanium. Des éléments optiques définissent un trajet optique à travers les première et deuxième régions en germanium. Une jonction est positionnée dans les ou adjacente aux première et deuxième parties des première et deuxième régions en germanium, la jonction ayant un premier côté avec un premier type de porteurs majoritaires et un deuxième côté avec un deuxième type de porteurs majoritaires. Des premier et deuxième contacts sont respectivement couplés au premier côté de la jonction et au deuxième côté de la jonction. Dans un mode de réalisation avantageux, la première région en germanium présente une contrainte de traction biaxiale dans au moins une partie de la première région en germanium suffisante pour amener la première partie de la première région en germanium à avoir une bande interdite directe. Les premier et deuxième stresseurs par traction sont par exemple du silicium-germanium. Dans un dispositif optique selon l'invention, les éléments optiques peuvent comprendre un premier miroir et un deuxième miroir qui définissent une cavité laser. Le premier miroir et le deuxième miroir peuvent être formés sur les faces d'extrémité de la cavité laser et la cavité laser peut être couplée optiquement aux première et deuxième régions en germanium par un couplage évanescent. La cavité laser peut également être disposée au moins partiellement dans un guide d'ondes, qui est par exemple un guide d'ondes en silicium ou en oxyde de silicium. Dans un autre mode de réalisation selon l'invention, les régions de stresseurs peuvent comprendre un matériau contraint par compression, par exemple du nitrure de silicium. Dans un dispositif optique selon l'invention, les premier et deuxième stresseurs peuvent être positionnés sur les côtés opposés de la première région en germanium. Un autre mode de réalisation prévoit que des premier et deuxième stresseurs soient positionnés d'un côté d'une ailette en germanium et que des troisième et quatrième stresseurs soient positionnés d'un côté opposé de l'ailette en germanium et que l'ailette en germanium comprenne la première partie de la première région en germanium. Dans ce mode de réalisation, l'ailette en germanium peut avoir une épaisseur comprise entre environ 40 nanomètres et 80 nanomètres, l'ailette en germanium pouvant avoir une largeur inférieure à un micron, et les stresseurs étant en nitrure de silicium. Selon un autre aspect de la présente invention, un dispositif optique comprend une plaque en germanium comportant des première et deuxième faces et des première et deuxième extrémités et des première et deuxième couches de stresseurs sur les première et deuxième faces. Les première et deuxième couches de stresseurs induisent une contrainte de traction biaxiale dans la plaque en germanium. Des éléments optiques sont positionnés par rapport à la plaque en germanium pour définir un trajet optique passant à travers la plaque en germanium. Selon un autre aspect de la présente invention, un dispositif optique comprend deux plaques en germanium ou plus comportant chacune des première et deuxième faces et des première et deuxième extrémités et des première et deuxième couches de stresseurs sur chacune des première et deuxième faces. Les première et deuxième couches de stresseurs induisent une contrainte de traction biaxiale dans les plaques respectives des deux plaques en germanium ou plus. Des éléments optiques sont positionnés par rapport aux plaques en germanium pour définir un trajet optique passant par les deux plaques en germanium ou plus. Selon encore un autre aspect de la présente invention, un procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteurs comprend la fourniture d'un substrat ayant une région en germanium et la gravure d'ouvertures dans la région en germanium. Le procédé se poursuit par la formation de silicium-germanium dans les ouvertures pour former un motif de silicium-germanium intégré entourant une première partie de la région en germanium, les régions en silicium-germanium et la première partie de la région en germanium ayant une contrainte de traction biaxiale dans le plan. Encore un autre aspect de la présente invention propose un procédé de communication de données comprenant le couplage d'un signal électrique dans un dispositif optique comprenant une première région semi-conductrice contrainte pour générer un signal optique sensible. Le procédé se poursuit par la transmission du signal optique sensible à travers un guide d'ondes comprenant une deuxième région semi-conductrice non contrainte et le couplage du signal optique sensible dans un détecteur comprenant une troisième région semi-conductrice contrainte. Les première, deuxième et troisième régions semi-conductrices comprennent du germanium. Dans une mise en oeuvre plus spécifique de cet aspect, ces régions sont essentiellement auto-alignées les unes avec les autres. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteurs comprenant la fourniture d'un substrat comportant une région en germanium et la gravure d'ouvertures dans la région en germanium. Le procédé se poursuit par la formation de régions de stresseurs dans les ouvertures pour former un motif de régions de stresseurs intégrées entourant une première partie de la région en germanium, où la première partie de la région en germanium a une contrainte de traction biaxiale dans le plan. Selon ce procédé, la région en germanium peut être une couche en germanium séparée d'une autre partie du substrat par une couche isolante.
Un procédé selon l'invention peut également former au moins quatre parties supplémentaires de la région en germanium ayant une contrainte de traction biaxiale. Dans ce mode de réalisation, la contrainte de traction biaxiale dans la première partie en germanium et les parties supplémentaires peut être suffisante dans au moins des parties des parties de germanium pour obtenir une bande interdite directe.
Un procédé selon l'invention peut également comprendre une étape de formation d'une cavité laser de sorte qu'une lumière amplifiée dans la cavité laser passe à travers la première partie de la région en germanium. Les régions de stresseurs formées par un procédé selon l'invention peuvent être en silicium-germanium.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail à titre d'exemple en faisant référence aux dessins joints, sur lesquels : La figure 1 illustre schématiquement une partie d'un dispositif d'émission ou de détection de lumière qui peut comporter une région active contrainte par traction. La figure 2 illustre les résultats d'une simulation basée sur la structure de la figure 1 qui montre un niveau élevé de contrainte induite dans une bande en germanium entre des stresseurs en silicium-germanium intégrés. La figure 3 illustre schématiquement une région en germanium entourée par un motif de stresseurs intégrés tels que du silicium-germanium ou du nitrure de silicium, où les stresseurs intégrés ont une section généralement rectangulaire.
La figure 4(a) illustre en perspective une couche en germanium avec un ensemble de régions de stresseurs intégrés séparées composées d'un matériau sous contrainte de traction dans le plan tel que du silicium-germanium ou du nitrure de silicium, où les régions de stresseurs intégrés ont une section généralement rectangulaire et les régions de stresseurs induisent une contrainte de traction dans les régions en germanium adjacentes. La figure 4(b) illustre en perspective une couche en germanium avec un ensemble de régions de stresseurs intégrés séparées composées d'un matériau sous contrainte de traction dans le plan tel que du silicium-germanium ou du nitrure de
10 silicium, où les régions de stresseurs intégrés ont une section généralement arrondie ou circulaire et les régions de stresseurs induisent une contrainte de traction dans les régions en germanium adjacentes. La figure 4(c) illustre en perspective une couche en germanium avec un ensemble de régions de stresseurs intégrés connectées composées d'un matériau sous contrainte de traction dans le plan tel que du silicium-germanium ou du nitrure de silicium, où le matériau de stresseur intégré entoure la périphérie des régions en forme de piliers en germanium, les régions de piliers en germanium ayant une section généralement rectangulaire et le matériau de stresseur induisant une contrainte de traction biaxiale dans le plan dans les régions en germanium entourées adjacentes. La figure 4(d) illustre en perspective une couche en germanium avec un ensemble de régions de stresseurs intégrés connectées composées d'un matériau sous contrainte de traction dans le plan tel que du silicium-germanium ou du nitrure de silicium, où le matériau de stresseur intégré entoure la périphérie de régions en forme de piliers en germanium, les régions de stresseurs intégrés superposées ayant une section généralement arrondie ou, à la limite, circulaire, et le matériau de stresseur induisant une contrainte de traction biaxiale dans le plan dans les régions en germanium entourées adjacentes.
La figure 4(e) illustre en perspective une région en germanium en forme de pilier dans des régions de stresseurs intégrés composées d'un matériau sous contrainte de traction dans le plan tel que du silicium-germanium ou du nitrure de silicium. Le pilier illustré peut être un pilier dans un ensemble de régions en forme de piliers similaires en germanium, le matériau de stresseur induisant une contrainte de traction biaxiale dans le plan dans les régions en germanium entourées. La figure 5 illustre une autre mise en oeuvre d'aspects de l'invention dans laquelle une contrainte de traction est créée dans une ailette en germanium par une force imposée par des couches de stresseurs par compression sur des parois latérales de l'ailette en germanium.
La figure 6 illustre une modification de la stratégie de la figure 5 dans laquelle une contrainte de traction biaxiale est créée dans l'ailette en germanium en dessinant des couches de stresseurs par compression sur la paroi latérale de l'ailette en germanium.
11 Les figures 7(a-b) illustrent, en utilisant une simulation tridimensionnelle, une autre modification de la stratégie des figures 5 et 6 dans laquelle une pluralité d'ailettes en germanium contraint biaxialement par traction sont prévues le long d'un trajet optique.
Les figures 8(a-b) illustrent schématiquement une bande en germanium contraint dans laquelle une contrainte de traction est induite par un matériau contraint par compression sus-jacent et par une relaxation de bord. La figure 9 illustre schématiquement une bande en germanium contraint dans laquelle une contrainte de traction est induite par des couches supérieure et inférieure 10 de matériau contraint par compression et par une relaxation de bord. La figure 10 illustre schématiquement une bande en germanium contraint dans laquelle une contrainte de traction biaxiale est induite dans la bande par des couches supérieure et inférieure de matériau contraint par compression et par une relaxation de bord avec des découpes à travers les trois couches le long de deux axes. 15 La figure 11 illustre une autre modification préférée de la stratégie de la figure 10 qui limite les réflexions internes. La figure 12 illustre schématiquement en coupe un ensemble de régions en germanium de type n contraintes par traction déposées de manière épitaxiale sur une couche en germanium de type p de sorte que la structure peut émettre ou détecter des 20 photons. La figure 13 illustre schématiquement en coupe un ensemble de régions en germanium de type n contraintes par traction peu profondes dopées par diffusion à partir d'une couche sus-jacente de silicium polycristallin dopé. La figure 14 illustre schématiquement en coupe un ensemble de régions en 25 germanium de type n contraintes par traction épitaxiales formées sur un ensemble de régions en germanium de type p épitaxiales de sorte que la structure peut émettre ou détecter des photons. La figure 15 illustre schématiquement en coupe un ensemble de régions en germanium de type p contraintes par traction en contact avec une couche émettrice 30 d'électrons de sorte que la structure peut émettre ou détecter des photons. La figure 16 illustre schématiquement en coupe un ensemble de régions en germanium de type p contraintes par traction en contact avec une couche émettrice d'électrons de sorte que la structure peut émettre ou détecter des photons.
12 La figure 17 illustre en coupe transversale schématique un ensemble de régions en germanium de type p contraintes par traction en contact latéral avec des régions en silicium-germanium de type n et une couche émettrice d'électrons de sorte que la structure peut émettre ou détecter des photons.
La figure 18 illustre une autre stratégie, cohérente avec les structures et les processus illustrés sur les figures 12 à 17, dans laquelle un ou plusieurs piliers en germanium discrets sont formés et intégrés dans un stresseur en silicium-germanium continu. La figure 19 illustre schématiquement un guide d'ondes en germanium couplé à une structure ayant des piliers ou des ailettes en germanium contraint biaxialement ou contraint dans le plan qui émettent ou détectent de la lumière. La figure 20 illustre schématiquement une configuration dans laquelle une couche contenant du germanium contraint par traction est couplée à un résonateur pour fournir une structure de laser.
Des modes de réalisation préférés de la présente invention comprennent un dispositif ou un procédé d'émission de lumière ou de détection de lumière qui utilise un semi-conducteur du groupe IV contraint en tant que région active qui émet ou détecte de la lumière. Le terme lumière est utilisé ici dans son sens large pour incorporer les plages ultraviolettes et infrarouges. En tant qu'exemple, une mise en oeuvre de la présente invention pourrait fournir un laser à semi-conducteurs qui utilise un germanium contraint par traction en tant que milieu à gain. Plus préférablement, cet exemple spécifique peut utiliser une région en germanium contraint biaxialement par traction à un degré suffisant pour qu'au moins une partie de la région en germanium contraint soit un semi-conducteur à bande interdite directe. Certains modes de réalisation de la présente invention peuvent utiliser une couche optique distincte constituée de matériaux généralement homogènes pour former divers composants d'une couche optique comprenant au moins une source de lumière, un ou plusieurs guides d'ondes, au moins un élément d'acheminement ou de commutation, ou au moins un détecteur. Une électronique de commande est incluse soit dans la couche optique, soit dans une autre couche, par exemple dans une puce ULSI associée. Dans le cas des matériaux homogènes, le matériau constituant les composants est bien entendu physiquement quelque peu différent, parce que l'utilisation d'un système de matériaux homogènes nécessite le changement local de certaines des propriétés optiques du matériau en question, pour le faire passer de manières diverses d'un matériau semi-conducteur émettant de la lumière (bande interdite directe) à un matériau de guide d'ondes optiquement transparent (bande interdite indirecte) ou à un matériau semi-conducteur détectant la lumière (bande interdite directe). Plus préférablement, les modifications nécessaires pour obtenir les propriétés optiques locales souhaitées sont créées, par exemple, par l'application d'une contrainte externe, en particulier une contrainte de traction biaxiale ou uniaxiale. De plus, des mises en oeuvre préférées modifient localement les propriétés électriques du matériau semi-conducteur en question de manières habituelles, par exemple par une implantation ou une diffusion d'ions de dopant pour construire des dispositifs électriques de la manière habituelle. Certains modes de réalisation préférés définissent une couche optique d'un système de matériaux généralement homogènes pour laquelle une partie du matériau semi-conducteur dans les composants sélectionnés est amenée à avoir soit une bande interdite totalement directe, soit une bande interdite totalement indirecte. Dans des modes de réalisation particulièrement préférés, la bande interdite dans l'émetteur ou le détecteur est inférieure à la bande interdite du guide d'ondes, de sorte que le guide d'ondes est essentiellement transparent aux photons émis par l'émetteur ou détecté par le détecteur. Dans le cas d'un guide d'ondes constitué d'un matériau semi-conducteur avec une bande interdite indirecte, le fait de laisser le matériau du guide d'ondes non contraint permet au matériau de conserver une bande interdite plus large qu'un matériau d'émetteur ou de détecteur contraint. La bande interdite plus large dans le guide d'ondes avec la nature indirecte de la bande interdite résulte en une perte de transmission optique plus faible dans le matériau de guide d'ondes. Pour des mises en oeuvre particulièrement préférées qui utilisent du germanium contraint pour une émission ou une absorption de lumière active, la source et le détecteur seront transformés d'un semi-conducteur indirect (et par conséquent d'un matériau d'absorption/émission optique relativement inefficace) en un semi-conducteur plus direct (et par conséquent en un matériau d'absorption/émission optique efficace). En déclarant que la contrainte de traction dans le germanium l'amène à devenir un semi-conducteur à bande interdite plus directe, on signifie que la contrainte de traction rend les transitions optiques correspondant à la transition directe entre le minimum de bande de conduction au point gamma et la bande de valence plus probables du fait de la bande d'énergie réduite entre le minimum de bande de conduction et la bande de valence au point gamma. C'est-à-dire que le germanium fortement contraint par traction présente une amélioration importante de la luminescence correspondant à la transition directe au point gamma. Cette amélioration importante de la luminescence peut être exploitée pour fabriquer des dispositifs d'émission de lumière efficaces comprenant des diodes électroluminescentes et des lasers à semi-conducteurs en germanium.
Dans le cas d'un matériau semi-conducteur avec une bande interdite directe tel que l'arséniure de gallium, le guide d'ondes peut être transformé en un semi-conducteur non absorbant par l'application d'une contrainte de compression le long d'au moins un axe qui augmente la bande interdite dans le guide d'ondes et le rend plus transparent pour les longueurs d'onde qui sont émises par l'arséniure de gallium massif non modifié. Par conséquent, les pertes de transmission par absorption sont réduites. Ce qui suit décrit plusieurs mises en oeuvre illustratives de procédés et de dispositifs qui peuvent former des composants de systèmes photoniques avec des éléments d'émission ou de détection de lumière à semi-conducteurs contraints.
Les semi-conducteurs du groupe IV présentent généralement une structure de diamant et, à ce titre, ont les directions principales <100>, <110> et <111>, qui sont représentatives de la symétrie de la structure cristalline. Ces axes sont normaux aux plans de maille, (100), (110) et (111), respectivement. Une déformation de la maille à l'équilibre naturel (distances entre les atomes et angles entre les atomes) mène à des changements de la structure de bandes. Par exemple, au premier ordre, une pression hydrostatique résulte en une compression de volume homogène d'une maille cubique et le plus généralement en une augmentation de la bande interdite directe. Pour le germanium, l'effet d'une contrainte uniaxiale, biaxiale et hydrostatique sur la structure de bandes a longtemps présenté un intérêt scientifique.
L'application d'une contrainte de traction biaxiale dans le plan (100) du germanium rend le matériau plus direct, c'est-à-dire qu'une augmentation de la contrainte biaxiale (100) rétrécit la bande interdite directe plus rapidement que la bande interdite indirecte. Les calculs de la structure de bandes d'un germanium contraint biaxialement par traction prédisent que le matériau devient totalement direct à environ 1,9 % de contrainte dans le plan (100). En outre, une déformation uniaxiale est rapportée comme conduisant à une bande interdite directe lors de l'application d'une tension uniaxiale le long de la direction <111> du germanium.
Bien entendu, un grand nombre d'orientations et de configurations de contraintes par rapport aux directions principales d'un cristal peuvent fournir différents avantages pour transformer un matériau à bande interdite indirecte en un matériau à bande interdite plus directe. La figure 1 montre un exemple dans lequel des stresseurs en silicium- germanium (SiGe) intégrés sont utilisés pour contraindre par traction une région en germanium (telle qu'une ailette ou une bande) qui peut être utilisée soit pour une émission de lumière, soit pour une détection de lumière. Dans un mode de réalisation préféré, de multiples stresseurs par traction sont intégrés dans une couche en germanium, provoquant une contrainte de traction dans le volume de germanium entre deux régions de stresseurs par traction voisines quelconques. L'alliage SiGe est un matériau de stresseur par traction approprié lorsqu'il est développé de manière épitaxiale à l'intérieur d'un évidement formé dans une surface en germanium. L'alliage SiGe a un espacement de maille cristalline qui est inférieur à l'espacement de maille cristalline dans le germanium. Par conséquent, lorsqu'une couche mince de SiGe est développée de manière épitaxiale sur une surface en germanium, le SiGe est sous une contrainte de traction de défaut d'adaptation de mailles dans le plan. Un stresseur en SiGe intégré contraint par traction induit une contrainte de traction dans du germanium latéralement adjacent. En tant qu'exemple plus concret, la figure 1 illustre une partie d'une couche en germanium 10. Deux longues tranchées sont découpées dans la surface de la couche en germanium 10 et sont remplies par un dépôt épitaxial de SiGe pour former des stresseurs intégrés 12, 14 de chaque côté d'une région en germanium 16. Les stresseurs en SiGe intégrés 12, 14 des deux côtés de la bande étroite en germanium 16 induisent une contrainte de traction uniaxiale dans le volume en germanium entre les régions de stresseurs en SiGe, comme indiqué sur la figure 1. La bande étroite en germanium contraint par traction 16 peut être utilisée en tant que région active d'émission de lumière d'un laser ou une diode ou en tant que région de détection de lumière, par exemple, d'une photodiode. La hauteur ou l'épaisseur, la largeur et la longueur de ces structures sont de préférence
16 sélectionnées pour obtenir des niveaux souhaités de contrainte pour réaliser la fonctionnalité optique appropriée pour le composant. De préférence, les dimensions sont sélectionnées en fonction de la mise en oeuvre spécifique et des autres éléments du composant.
Les technologies CMOS évoluées incluent fréquemment des régions de source ou de drain (S/D) en SiGe intégrées dans la fabrication de transistors à effet de champ à canal P à haute performance. Dans le cas de régions source/drain en SiGe intégrées dans un transistor en silicium, une contrainte de compression est obtenue dans la région de silicium entre les stresseurs en SiGe. C'est l'inverse de la condition de contrainte qui apparaît lorsque des stresseurs en SiGe sont intégrés dans un dispositif en germanium comme décrit ici, mais les processus et technologies de fabrication, les considérations de conception et les mises en oeuvre sont très similaires. La figure 2 illustre une simulation d'une structure généralement similaire à celle montrée sur la figure 1, la figure 2 montrant une section transversale perpendiculaire à l'axe plus long de la bande. La simulation de la figure 2 utilise une structure légèrement plus compliquée et pratique comprenant une couche isolante enfouie 28 entre une tranche semi-conductrice ou un substrat 20 en silicium ou autre et une couche en germanium 26 dans laquelle des tranchées sont formées et par la suite au moins partiellement remplies de silicium-germanium pour former des régions de stresseurs par traction 22 et 24. Comme montré sur la simulation de la figure 2, des niveaux élevés de contrainte peuvent être induits, en particulier à proximité d'une surface supérieure de la bande en germanium 26. En variante, des stresseurs en SiGe peuvent être incorporés dans un laser ou une diode électroluminescente ou un photodétecteur au germanium sous la forme d'une matrice de multiples régions intégrées ayant des profondeurs et des largeurs d'environ 100 nm sur 100 nm. Ces dimensions sont illustratives et une plage de dimensions peut être réellement utilisée. Les dimensions formulées particulières sont utiles pour la configuration illustrée. Dans cette stratégie, la région active d'émission de lumière d'un laser (taille type : largeur de 0,35 à 1,5 micron, ou même plus, longueur de 2 à des dizaines ou même des centaines de microns, ou même plus) ou la région de détection de lumière d'un photodétecteur peut comprendre de nombreuses régions en germanium avec une contrainte de traction biaxiale induite le long de deux axes dans le plan par des volumes adjacents de SiGe intégré. La figure 3 représente un élément d'une telle matrice dans lequel une contrainte de traction biaxiale est induite dans une région centrale en germanium 30 par des éléments de stresseurs 32, 34, 36, 38 en SiGe adjacents formés sur quatre côtés. Les éléments de stresseurs ont une section généralement rectangulaire qui peut, par exemple, être à peu près carrée. Les stresseurs sont illustrés en tant que silicium-germanium, qui fournit une contrainte de traction aux régions en germanium adjacentes. D'autres matériaux de stresseur pourraient également être utilisés, tels que du nitrure de silicium déposé pour réaliser une contrainte de traction. La répartition des contraintes est généralement non homogène et fonction de la géométrie et d'autres caractéristiques pertinentes telles que la composition d'un stresseur en silicium-germanium. La contrainte pourrait, par exemple, être la plus élevée autour des parties latérales supérieures de la région en germanium. Une contrainte biaxiale peut être maximale dans une partie centrale de la région en germanium 30.
Les figures 4(a-e) illustrent comment une multitude d'éléments en germanium peuvent être agencés en une matrice de sorte que chaque élément ait une contrainte de traction biaxiale dans au moins une partie de l'élément. Les éléments en germanium sous contrainte de traction biaxiale peuvent être connectés à des éléments en germanium voisins également sous contrainte biaxiale, comme montré sur la figure 4(a) et la figure 4(b). En variante, les éléments en germanium peuvent être séparés des éléments en germanium voisins par le matériau de stresseur, comme montré sur la figure 4(c) et la figure 4(d), auquel cas les régions en germanium séparées apparaissent en tant que piliers. Bien que les éléments de pilier en germanium soient séparés par un matériau de stresseur dans le plan de la tranche semi-conductrice, ils peuvent bien entendu rester connectés par leurs bases à une couche restante ou un substrat en germanium partagés ou communs. En outre, les piliers en germanium peuvent avoir un profil en coupe sensiblement carré ou peuvent être arrondis, ayant, à la limite, un profil en coupe circulaire ou un profil de pilier à côté concave, comme illustré sur la figure 4(d). La figure 4(e) montre l'une d'un ensemble de régions en germanium dans des régions de stresseurs intégrés composées d'un matériau sous contrainte de traction dans le plan tel que le silicium-germanium ou le nitrure de silicium. Le pilier illustré peut être une région dans un ensemble de régions en germanium en forme de piliers, le matériau de stresseur induisant une contrainte de traction biaxiale dans le plan dans les régions en germanium entourées. Dans des mises en oeuvre particulièrement préférées de ce mode de réalisation, un ensemble d'éléments en germanium contraint similaires à ceux illustrés sur une vue quelconque de la figure 4 peut être utilisé en tant que région active d'émission de lumière d'un dispositif laser ou région de détection de lumière d'un dispositif photodétecteur. La région active d'émission de lumière de la figure 4 consiste en de multiples éléments en germanium contraint par traction au moins partiellement biaxialement. Afin d'obtenir une action d'émission laser, il n'est pas nécessaire que le volume entier d'une région active de laser soit constitué d'un germanium contraint biaxialement par traction, mais il est souhaitable d'augmenter à un maximum la proportion du volume de laser qui est en germanium contraint biaxialement par traction. De plus, il est souhaitable d'induire une contrainte de traction suffisante dans les régions en germanium de sorte que les régions aient une bande interdite directe sur au moins une partie des régions. Dans la partie d'une région en germanium avec la contrainte de traction biaxiale la plus grande, le minimum de la bande de conduction directe (point gamma) est à son énergie la plus faible. En particulier, pour toute partie en germanium avec une contrainte biaxiale supérieure à environ 1,8 % à 2,0 %, la bande interdite directe (au point gamma) devrait être plus petite que la bande interdite indirecte, et cette partie du germanium peut être considérée comme étant un semi-conducteur à bande interdite directe. Dans ces conditions, des électrons libres dériveront vers la partie avec la plus grande contrainte de traction biaxiale (énergie de bande de conduction la plus faible), et celle-ci coïncidera avec la partie dans laquelle les transitions optiques directes sont plus favorables. A ce titre, même si seulement une fraction du volume de germanium dans un laser peut avoir une tension biaxiale suffisante pour induire un comportement de bande interdite directe, cela peut être adéquat à des fins pratiques d'émission stimulée de photons parce que la partie de bande interdite directe est en même temps la partie en germanium vers laquelle les électrons libres sont attirés par le champ développé du fait du niveau d'énergie de bande de conduction réduit dans cette partie. Inversement, les parties moins contraintes en germanium qui ne deviennent pas directes, resteront indirectes et ne réaliseront pas d'amplification de la lumière. Cependant, la lumière émise par les parties fortement contraintes ayant la bande interdite la plus petite et directe ne sera pas absorbée dans les parties moins contraintes ayant une bande interdite plus grande et indirecte. Bien qu'il ne soit pas attendu que les parties les moins contraintes en germanium contribuent de manière importante à une émission de lumière dans la diode électroluminescente ou le laser à semi-conducteurs, ces parties ne devraient pas également contribuer de manière importante aux pertes. Il est néanmoins souhaitable d'augmenter à un maximum la fraction du germanium dans la région optiquement active qui est à un niveau élevé de contrainte de traction biaxiale. De préférence pour cette configuration, les stresseurs en silicium-germanium ne sont pas dopés ou ne sont pas dopés de type n pour éviter de bloquer la bande de conduction en germanium et pour faciliter l'effet décrit de passage des porteurs dans la région de gain en modifiant latéralement la bande de conduction. Les stresseurs intégrés pourraient être, en variante, constitués de nitrure de silicium avec une contrainte de traction développée. Des procédés et des outils sont bien connus dans l'industrie de fabrication de circuits intégrés en silicium pour déposer des films de nitrure de silicium avec une contrainte de traction intégrée. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, un substrat en germanium 22 est dessiné et gravé pour former une structure d'ailette 52 en germanium s'étendant au-dessus de la partie restante du substrat 50. La structure d'ailette 52 peut avoir, par exemple, une largeur de 0,05 gm et une hauteur de 0,15 µm. Des stresseurs par compression 54, 56 sont formés sur les parois latérales de l'ailette 52 en germanium pour communiquer une contrainte de traction uniaxiale dans l'ailette en germanium, telle que représentée schématiquement par les flèches sur la figure 5. Généralement, la structure illustrée est formée en déposant une couche de couverture conforme de nitrure de silicium contraint par compression. Le nitrure de silicium contraint est ensuite de préférence éliminé par gravure du dessus des ailettes pour permettre un contact électrique avec le dessus des ailettes en gravant la couche de nitrure de silicium pour ne laisser le nitrure de silicium que le long des parois latérales. Parce que la contrainte initiale dans les stresseurs latéraux est une contrainte de compression, les stresseurs latéraux 54, 56 s'étendent verticalement lorsqu'ils se relaxent et induisent une contrainte de traction dans la structure d'ailette 52 en germanium.
20 Des procédés et des outils sont bien connus dans l'industrie de fabrication de circuits intégrés en silicium pour obtenir des films déposés de nitrure de silicium avec une contrainte de compression intégrée et des procédés sont connus pour former les parois latérales d'un matériau tel que le nitrure de silicium par un dépôt et une gravure anisotrope subséquente. Seuls les stresseurs latéraux imposeront une contrainte de traction uniaxiale dans l'ailette en germanium dirigée verticalement, orthogonale au plan de la puce semi-conductrice ou de la tranche semi-conductrice. Ici, de nouveau, la région active d'ailette 52 en germanium contraint par traction de la figure 5 peut agir en tant que région d'émission de lumière ou région de détection de lumière, en fonction de la géométrie et du traitement subséquent. De préférence, la contrainte d'origine dans les structures de stresseurs latéraux 54, 56 et les dimensions de l'ailette 52 sont appropriées pour créer une contrainte de traction verticale (uniaxiale) suffisante pour amener une partie de la région active d'ailette 52 à avoir une bande interdite directe. Un traitement antérieur ou subséquent peut être utilisé pour former une jonction p-n généralement horizontale dans la structure d'ailettes illustrée. Par exemple, la structure d'ailettes illustrée pourrait être formée en tant que matériau de type p. Une couche en germanium polycristallin fortement dopé de type n est formée sur une surface supérieure de l'ailette 52 de type p. Un recuit subséquent amène les dopants de type n à diffuser dans la structure d'ailettes 52 pour former de préférence une jonction p-n généralement horizontale. De préférence, la jonction p-n est positionnée suffisamment adjacente à la partie contrainte par traction de la structure d'ailettes 52 pour permettre à la jonction d'être un émetteur ou un détecteur de photons efficace. Pour une émission de photons, des paires électron-trou sont générées par un courant qui circule à travers la jonction et des photons sont émis par une recombinaison électron-trou à rayonnement associée à la bande interdite directe préférée. Pour une détection de photons, la jonction p-n est polarisée en inverse de sorte que les photons génèrent des paires électron-trou qui se séparent et qui sont détectées en tant que courant électrique à travers la jonction. Dans des mises en oeuvre d'émission de photons, il est parfois préféré que les faces d'extrémité de l'ailette en germanium soient revêtues d'une ou de plusieurs couches de réflexion pour réaliser une cavité résonante. Lors du positionnement de la jonction, il est préféré que la jonction soit située de sorte qu'une absorption de photons (par la création d'une paire électron-trou) ou
21 une émission de photons (par une recombinaison à rayonnement d'une paire électron-trou) se produise à un degré suffisant dans une partie du germanium qui est contrainte par traction suffisamment pour présenter une bande directe et pour réaliser une détection ou une émission de photons efficace. En variante, la partie contrainte par traction du germanium comprend de préférence la bande interdite la plus faible pour une transition optique directe lorsqu'une injection de courant ou une autre stratégie est utilisée avec la bande interdite réduite pour obtenir une émission efficace. Un tel positionnement approprié d'une région contrainte par traction et d'une jonction ou d'une partie d'une jonction est identifié ici comme adjacent et comprend les positionnements dans lesquels la partie de jonction coïncide avec une région d'une contrainte de traction localement maximum et ceux dans lesquels il existe un décalage entre ces positions. La taille acceptable possible d'un décalage dépend du niveau de contrainte obtenu, de l'application et de la géométrie du dispositif. Cet examen est réalisé spécifiquement pour la géométrie relativement simple de la figure 5, mais s'applique également à des mises en oeuvre autres et plus compliquées examinées en relation avec les autres figures. De plus, les considérations de positionnement et autres sont également applicables aux mises en oeuvre dans lesquelles une contrainte de traction est insuffisante pour obtenir des transitions de bande interdite directe. Dans ces situations, les principes examinés ici s'appliquent, mais sont de préférence combinés avec un dopage, une polarisation et/ou un courant souhaités pour obtenir une émission ou une détection de photons suffisante pour être utile. Pour n'importe quelle application laser, des extrémités correctement réfléchissantes d'une cavité sont de préférence prévues, les pertes sont maintenues à un niveau bas approprié et un courant suffisant est fourni de sorte que la cavité fournisse un gain de la manière connue de l'art antérieur. Cet examen fait référence à une jonction ou à des jonctions. Dans de nombreux cas, la jonction ne sera pas une jonction p-n pointue, mais pourrait être réellement une jonction p-i-n, des régions de type p et de type n étant positionnées de chaque côté d'une couche active qui est de préférence non dopée. Une jonction pn ou p-i-n similaire peut être utilisée à la fois dans des dispositifs à diode laser électroluminescente (ou DEL) et dans des dispositifs photodétecteurs. Dans une autre amélioration du procédé à stresseurs latéraux, des découpes étroites peuvent être gravées dans la couche de stresseurs par compression en nitrure
22 de silicium le long de la longueur de l'ailette en rendant le nitrure de silicium latéral discontinu le long de la longueur de l'ailette. Cela est illustré en partie sur la figure 6, sur laquelle une découpe étroite 68 a été gravée à travers une des structures latérales en nitrure de silicium contraint par compression pour former de multiples régions de compression latérales 64, 66 qui peuvent s'étendre à la fois verticalement et latéralement pour induire à la fois des composantes de contrainte verticale et horizontale dans l'ailette 62 en germanium. Au niveau des ruptures ou des découpes dans la paroi latérale en nitrure de silicium, une relaxation de bord (c'est-à-dire, une relaxation facilitée par une expansion ou une contraction au niveau des bords comparativement non contraints des stresseurs) induit une composante de contrainte supplémentaire dans l'ailette en germanium adjacente, dirigée le long de l'axe longitudinal de l'ailette, comme montré sur la figure 6. Cette configuration induit des composantes de contrainte de traction biaxiales dans des segments de la région active 62 en germanium, ce qui est souhaitable pour modifier la structure de bandes du germanium pour réduire la bande interdite pour des transitions optiques directes, de préférence dans une mesure où la transition optique directe est la transition de plus faible énergie. Comme illustré sur la figure 6, les découpes verticales supplémentaires dans les couches latérales de compression en nitrure de silicium peuvent être verticales, bien que les lignes de découpe puissent également être orientées selon un angle différent. Un autre procédé pour obtenir une contrainte de traction biaxiale dans l'élément actif en germanium du laser ou du photodétecteur introduit des ruptures ou des découpes à la fois dans les éléments de stresseurs latéraux et le guide d'ondes en germanium longitudinalement le long de l'ailette pour mieux induire des composantes de contrainte de traction biaxiale dans l'ailette en germanium. Si des découpes sont gravées dans le guide d'ondes à ailette en germanium, les espaces dans le germanium le long de l'axe longitudinal du laser ou du photodétecteur peuvent être indésirables étant donné qu'ils agiront en tant que miroirs partiels provoquant des réflexions internes non souhaitées ou une dispersion de lumière générée dans la région active du laser ou de lumière dans le photodétecteur. Ce comportement indésirable peut être limité par le dépôt de germanium amorphe dans les espaces. La relaxation de bord qui se produit lorsque les espaces sont gravés dans le germanium est suffisante pour induire une contrainte de traction le long de l'axe longitudinal du guide d'ondes à ailette en germanium ou de la région active. Un remplissage subséquent des espaces, par exemple avec du germanium amorphe, ne retire pas la contrainte de traction, mais retire largement la discontinuité diélectrique dans le guide d'ondes ou dans la région active du laser ou du photodétecteur le long de l'axe de longueur. C'est-à-dire que le remplissage des espaces avec un matériau approprié tel que du germanium amorphe ou polycristallin rétablit un milieu optique continu le long de l'axe optique longitudinal de la région active du laser ou du photodétecteur, mais avec une contrainte de traction discontinue le long de l'axe optique longitudinal de la région active du laser ou du détecteur.
La figure 7 illustre une simulation tridimensionnelle d'une autre modification de la stratégie des figures 5 et 6. La figure 7 montre un certain nombre d'ailettes, chaque ailette en germanium 72 ayant un stresseur 74, 76 diélectrique (ou isolant) formé de chaque côté de l'ailette en germanium. Chacune de ces ailettes peut être formée comme décrit ci-dessus en relation avec les figures 5 et 6, y compris les stratégies de gravure, de dopage, de formation de contact et de jonction évoquées ici. De préférence, les stresseurs diélectriques sont formés initialement pour qu'ils présentent une contrainte de compression qui est relaxée par une gravure pour induire une contrainte de traction dans les ailettes en germanium 72 entre les stresseurs 74, 76. Un stresseur approprié est le nitrure de silicium, qui peut être déposé pour qu'il ait une contrainte de compression qui peut être relaxée par des stratégies de gravure appropriées. Comme montré sur la figure 7(a), les couches de stresseurs diélectriques 74, 76 peuvent remplir l'espace entre des ailettes 72 adjacentes et induire réellement un niveau souhaitable de contrainte de traction biaxiale dans les ailettes en germanium. Une contrainte biaxiale simulée dans les ailettes 72 est illustrée sur la figure 7(b), sur laquelle les régions de stresseurs ont été rendues invisibles pour révéler les contours de contrainte biaxiale dans le germanium tels qu'évalués dans les plans principaux des ailettes, les contours plus clairs indiquant une plus grande amplitude de contrainte biaxiale. L'ensemble des ailettes en germanium contraint par traction biaxialement peut être positionné de sorte qu'un trajet optique, par exemple d'une diode, d'une diode laser ou d'un photodétecteur, passe par la structure de la figure 7 de sorte que le trajet optique passe à travers une pluralité des ailettes dans une direction parallèle aux faces d'ailette latérales sur lesquelles les stresseurs sont formés pour induire une contrainte. En variante, le trajet optique de l'exemple de diode, de diode laser ou de photodétecteur passe par une pluralité des ailettes dans une direction perpendiculaire aux faces d'ailette latérales sur lesquelles les couches de stresseurs sont formées pour induire une contrainte.
Pour les structures d'ailettes en germanium examinées ci-dessus dans les exemples des figures 5 à 7, les ailettes peuvent avoir une largeur (séparation entre les couches de stresseurs diélectriques) entre environ 20 nanomètres et 100 nanomètres et, plus préférablement, entre environ 40 nanomètres et 80 nanomètres. Les ailettes ont de préférence une hauteur (telle que mesurée au-dessus de la couche en germanium restante adjacente à la base de l'ailette) inférieure à un micron et, plus préférablement, inférieure à 400 nanomètres. Les ailettes ont de préférence une longueur (telle que mesurée latéralement le long de la face de la couche en germanium adjacente à une des couches de stresseurs) inférieure à un micron et, plus préférablement, inférieure à 400 nanomètres. Pour les mises en oeuvre des figures 5 à 7 et d'autres mises en oeuvre des structures décrites ici, il est préféré que le matériau de stresseur en nitrure de silicium contraint par compression soit formé pour avoir initialement une contrainte supérieure à deux gigapascals et, plus préférablement, supérieure à trois gigapascals. Les figures 8 à 11 illustrent schématiquement une relaxation de bord élastique des couches de stresseurs par compression sur les surfaces supérieure et inférieure d'une bande ou d'une plaque en germanium. Les couches de stresseurs par compression sur la surface supérieure (ou les surfaces supérieure et inférieure) d'une région active de laser ou de photodétecteur de bande en germanium sont dessinées et gravées en alignement avec la région active. Une relaxation de bord se produit lorsqu'un motif de bande est gravé à travers la couche de stresseur supérieure, la couche active et, en option, la couche de stresseur inférieure. La contrainte de compression dans les couches de stresseurs induit une contrainte de traction dans la couche active en germanium adjacente. Dans une première mise en oeuvre de cette stratégie, illustrée sur la figure 8(a), une couche de nitrure de silicium contraint par compression est déposée sur la surface d'une tranche semi-conductrice ou d'un substrat en germanium 80. Le processus forme un masque sur la couche de nitrure de silicium et grave ensuite à travers la couche de nitrure de silicium et dans la surface de la tranche semi- conductrice en germanium pour former une bande (ou une plaque) en germanium 82 s'étendant au-dessus de la partie restante de la tranche semi-conductrice 80. La gravure à travers la couche de nitrure de silicium contraint par compression forme la bande 84 et la gravure se poursuit dans le substrat, ce qui permet au nitrure de silicium contraint par compression 84 de relaxer et d'induire une contrainte de traction au moins dans la partie supérieure de la bande 82 en germanium. La région de surface contrainte résultante de la bande 82 peut être utilisée pour générer des photons ou pour les détecter. Dans une mise en oeuvre actuellement préférée, une tranche semi-conductrice hôte comporte une couche en germanium liée par tranche semi-conductrice à la surface de la tranche semi-conductrice hôte. Par exemple, la tranche semi-conductrice hôte 86 pourrait être une tranche en silicium 83 avec une couche d'oxyde de silicium superficielle 85, ou une partie d'un circuit intégré en silicium recouverte d'une couche d'oxyde de silicium, et la couche en germanium est liée à la surface d'oxyde d'une manière bien connue. Une couche de stresseur contraint par compression est ensuite déposée sur la couche en germanium. Par exemple, des processus disponibles dans le commerce sont disponibles pour le dépôt de couches de nitrure de silicium contraint par compression appropriées avec une contrainte intégrée, telles que déposées, supérieure à deux gigapascals ou, plus préférablement, à trois gigapascals. La structure de la figure 8(b) est de nouveau formée en dessinant et en gravant une bande de stresseur contraint par compression 84, et en gravant ensuite une longue bande de région active en germanium 82 continue, en arrêtant à la surface de la tranche semi-conductrice 86, comme illustré sur la figure 8(b). La bande de stresseur de surface à bords relaxés 84 induit une contrainte uniaxiale dans la bande en germanium 82, comme indiqué par la flèche sur la figure 8(b). Dans d'autres modes de réalisation, la gravure ne s'arrête pas à la surface de tranche semi-conductrice 86, mais se poursuit plutôt à une petite profondeur dans la surface de la tranche semi-conductrice 86 de manière à induire une contrainte de traction plus grande dans la bande en germanium 82. Dans d'autres modes de réalisation, la gravure s'arrête avant que la surface de la tranche semi-conductrice 86 soit atteinte de sorte que la bande en germanium 82 soit sous la forme d'un socle en germanium en appui sur une couche en germanium non gravée.
26 La figure 9 illustre une autre configuration qui peut, comparée aux configurations des figures 8(a) et 8(b), fournir un niveau plus élevé de contrainte à une bande en germanium pour mieux émettre ou détecter des photons. La structure de la figure 9 est formée en déposant séquentiellement une première couche de matériau contraint par compression sur une tranche semi-conductrice hôte 90, en fournissant une couche en germanium cristallin, et en déposant ensuite une deuxième couche de matériau contraint par compression sur la couche en germanium. Les première et deuxième couches de matériau contraint par compression peuvent, par exemple, être du nitrure de silicium contraint par compression et les matériaux déposés sont sélectionnés pour agir en tant que stresseurs pour la couche en germanium. Les processus pour déposer cette couche de stresseur de nitrure de silicium sont connus. Le processus de la figure 9 se poursuit en dessinant et en gravant à travers la pile de couches pour former une bande de stresseur supérieure 94, une bande en germanium 92 qui est contrainte par traction uniaxialement dans la direction illustrée par la flèche sur la figure 9. La gravure peut continuer, en option, à travers la deuxième couche contrainte par compression au-dessous de la couche en germanium pour former la bande de stresseur inférieure 96. La gravure à travers ou au moins dans la deuxième couche contrainte par compression est préférée, étant donné qu'elle permet une relaxation de bord plus complète et résulte en un niveau plus élevé de contrainte de traction uniaxiale. La bande en germanium 92 a une largeur de préférence comprise entre 0,04 et 1,0 micron et est de préférence contrainte par traction à un degré suffisant pour qu'au moins des parties de la bande en germanium 92 aient une bande interdite directe. Un certain nombre de facteurs influencent le niveau de contrainte de traction dans la couche en germanium, comprenant l'épaisseur de la couche en germanium, les épaisseurs respectives des couches de stresseurs supérieure et inférieure et le niveau de contrainte de compression dans les couches de stresseurs supérieure et inférieure. Une contrainte de traction varie également du fait de la séparation entre le bord et la partie de la couche en germanium qui est prise en considération. Une distribution non uniforme de contrainte est vraie pour toutes les structures examinées ou illustrées ici. Il est préféré que la contrainte de traction dans cette région ou d'autres régions en germanium examinées ici (et ailleurs, y compris ci-dessus en relation avec les figures 5 à 7) soit ajustée pour obtenir une émission ou une
27 détection de photons efficace. On devrait néanmoins apprécier que les structures et les stratégies décrites ici peuvent être utilisées avantageusement lorsque des niveaux plus faibles de contrainte de traction sont obtenus, même lorsque le matériau présente une bande interdite indirecte et qu'une émission de photons repose sur des niveaux élevés d'injection de porteurs. Dans d'autres modes de réalisation, le dessin et la gravure sont effectués pour réaliser des découpes et des ruptures supplémentaires dans la bande en germanium et les couches de stresseurs contraints par compression (telles que déposées) adjacentes le long de l'axe longitudinal de la bande, rompant la bande de région active en des segments plus courts de longueur généralement dans la plage 0,04 à 1,0 micron. Un tel mode de réalisation est illustré sur la figure 10. La mise en oeuvre de la figure 10 est similaire aux modes de réalisation illustrés sur la figure 9, excepté que, lorsque la bande est dessinée et gravée, d'autres dessin et gravure sont effectués pour ouvrir les bords et un espace 108 entre les parties de la bande en germanium 102, 104.
L'espace 108 permet aux première et deuxième parties de bande de stresseur (supérieure et inférieure) de relaxer de manière élastique par une relaxation de bord pour induire une contrainte de traction plus efficacement dans les parties de bande en germanium 102, 104. La relaxation de bord qui se produit lorsque les espaces sont gravés dans le germanium est suffisante pour induire une contrainte de traction dans le germanium le long de l'axe longitudinal du guide d'ondes nervuré ou de la région active en germanium. La contrainte de traction longitudinale est induite, en plus de la contrainte de traction transversale, le long de l'axe de largeur de la bande en germanium. Cette configuration induit des composantes de contrainte de traction biaxiales dans les segments de région active en germanium qui est souhaitable pour modifier la structure de bandes du germanium pour réduire la bande interdite pour des transitions directes. Comme illustré sur la figure 10, les découpes verticales supplémentaires dans les couches latérales en nitrure de silicium contraint par compression peuvent être verticales ou les lignes de découpe peuvent être orientées selon un angle différent de la verticale.
Immédiatement après la création des espaces, les parties de bande de stresseur relaxent latéralement et induisent une contrainte de traction dans les parties restantes de la bande de germanium. Un remplissage subséquent des espaces, par exemple avec du germanium amorphe ou polycristallin, ne retire pas la contrainte de traction dans les parties restantes de bande de germanium, mais retire largement la discontinuité diélectrique dans le guide d'ondes ou la région active du laser ou du photodétecteur entre les différentes parties de la bande de germanium le long de l'axe longitudinal (ou optique) du dispositif. Cela est illustré schématiquement sur la figure 11, sur laquelle du germanium amorphe ou polycristallin 116, 118 est déposé dans les espaces tels que l'espace 108 entre les parties de la bande en germanium 102, 104. Le remplissage à nouveau des espaces avec un matériau approprié rétablit un milieu optique continu dans la bande de germanium segmentée de la région active du laser ou du photodétecteur qui a une contrainte de traction discontinue.
Dans certains modes de réalisation de la diode laser ou de la diode de photodétecteur en germanium contraint par traction, le matériau 116, 118 qui remplit les espaces entre les segments de la région active en germanium peut être dopé et utilisé en tant que conducteur électrique dans la diode. Dans un mode de réalisation préféré, le matériau de remplissage est du SiGe polycristallin dopé n+ et agit en tant qu'émetteur d'électrons dans la diode laser, émettant des électrons latéralement dans les régions 102, 104 en germanium contraint dopé de type p. Le dopage de type n du germanium polycristallin ou du silicium-germanium pendant un dépôt est bien connu et facilement accompli. Les figures 12 à 17 montrent diverses variantes pour former une jonction électrique pour un système qui comprend de manière souhaitable du germanium contraint par traction. Le mode de fonctionnement standard d'un laser à semi-conducteurs nécessite qu'une émission stimulée de photons se produise dans une région active formée au niveau de la jonction de deux régions de matériau, une région réalisant une source de trous et l'autre région réalisant une source d'électrons de sorte qu'une recombinaison à rayonnement de trous et d'électrons se produise dans le voisinage de la jonction des deux régions. Les deux régions de matériau sont généralement des régions semi-conductrices de type p et de type n, respectivement, et forment une jonction pn où elles se rencontrent. Si une région qui n'est ni fortement de type p, ni fortement de type n est présente entre les régions de type n et de type p, la jonction est appelée jonction pin dans laquelle la région nominalement non dopée est considérée comme « intrinsèque ». Dans certaines mises en oeuvre, une couche ou des couches non dopées sont prévues entre les couches de type p et de type n pour former la jonction souhaitée.
29 Dans le laser au germanium contraint, la région de recombinaison à rayonnement efficace de porteurs (électrons et trous) coïncide de préférence avec la région de contrainte de traction biaxiale maximum dans le germanium. Dans des modes de réalisation préférés du dispositif, la région de densité de courant maximum à travers la jonction pn coïncide, avec le degré le plus grand possible, avec la région de contrainte par traction biaxiale ou uniaxiale maximum dans le germanium. Le plan de la jonction pn ou pin peut être principalement parallèle à la surface de tranche ou peut être principalement perpendiculaire à la surface de tranche. Compte tenu des difficultés du dopage de type n du germanium par une activation d'espèces donneuses implantées, il peut être préféré que la région en germanium de type n soit formée dans un état dopé de type n, soit dans la tranche semi-conductrice de départ (qui peut être du germanium massif ou du germanium sur isolant), soit dans la couche en germanium épitaxiale de manière appropriée. La région en germanium de type p peut être formée par implantation et activation d'espèces acceptrices telles que du bore ou par croissance épitaxiale d'une région en germanium de type p au-dessus du germanium de type n. En variante, la jonction peut être formée par des procédés de croissance épitaxiale en commençant par une tranche semi-conductrice massive en germanium de type p ou une tranche semi-conductrice en germanium sur isolant et en développant une couche en germanium de type n pour former une jonction épitaxiale. L'émetteur d'électrons peut être constitué d'un matériau différent du germanium cristallin. Des régions dopées n+ sont difficiles à fabriquer dans le germanium du fait d'une activation médiocre des donneurs implantés dans le germanium. Un matériau émetteur d'électrons déposé peut être préféré, dans lequel le matériau émetteur peut être l'un quelconque : du germanium amorphe ou polycristallin dopé in situ n+ ; du silicium amorphe ou polycristallin ou du silicium- germanium amorphe ou polycristallin dopé in situ n+ ; un métal à faible travail d'extraction avec un travail d'extraction inférieure à 4,3 eV ; ou un métal à faible travail d'extraction avec une couche diélectrique interfaciale entre le métal et le germanium, la couche diélectrique étant suffisamment mince pour permettre à un courant d'électrons de circuler à travers celle-ci. Dans des modes de réalisation dans lesquels la couche en germanium est sur un isolant tel qu'un oxyde enfoui (BOX), le
30 contact avec le germanium (généralement de type p) est de préférence un contact séparé. Dans le mode de réalisation du laser, de la diode ou du photodétecteur en germanium contraint avec des stresseurs en SiGe intégrés, illustrés sur la figure 4 et sur les figures 12 à 17, une jonction pn ou pin épitaxiale peut être formée dans le germanium avant que les régions de stresseurs en SiGe soient formées. Dans ce cas, les régions de stresseurs en SiGe peuvent être non dopées, dopées de type p ou dopées de type n. Des contacts électriques séparés sont réalisés pour les régions de type n et de type p en germanium. IO Des régions d'oxyde de silicium isolantes peuvent être formées en étant auto-alignées avec les régions de stresseurs en silicium-germanium (SiGe) par un procédé décrit par la suite. Le motif souhaité d'une matrice de régions intégrées est défini par lithographie et gravure à sec (au plasma) dans une couche de nitrure de silicium qui est déposée sur le germanium. Le germanium est gravé là où il n'est pas recouvert par 15 le nitrure de silicium pour créer des évidements dans la surface en germanium. Les évidements sont remplis d'un alliage de SiGe épitaxial par un procédé tel qu'un dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Si le processus épitaxial CVD est sélectif, le SiGe croît de manière épitaxiale uniquement dans les évidements et pas sur le nitrure de silicium. Si le processus CVD est non sélectif, le SiGe est déposé sur toutes les 20 surfaces exposées, auquel cas un processus de nivellement subséquent tel qu'un polissage chimico-mécanique (CMP) est utilisé pour retirer le SiGe des surfaces de nitrure de silicium en laissant le SiGe uniquement dans les ouvertures de masque et dans les évidements dans la structure en germanium. A cette étape dans le processus avec le masque de nitrure de silicium recouvrant encore les surfaces en germanium, 25 un processus d'oxydation est appliqué de sorte que les surfaces exposées de SiGe encastré (intégré) soient oxydées. Cela développe une couche mince isolante d'oxyde de silicium ou d'oxyde de silicium-germanium sur les régions en SiGe et en auto-alignement avec celles-ci. Le nitrure de silicium est ensuite retiré en utilisant une gravure humide sélective et les surfaces supérieures des éléments en germanium 30 contraint biaxialement sont exposées. En même temps, le retrait du nitrure de silicium permet un transfert plus complet de contrainte des régions en SiGe qui sont contraintes biaxialement par traction dans le plan de la tranche semi-conductrice vers les régions en germanium latéralement adjacentes qui deviennent également contraintes biaxialement par traction dans le plan de la tranche semi-conductrice. La figure 12 montre une mise en oeuvre pour former une structure en germanium contraint par traction pour un émetteur de photons ou un détecteur de photons. Pour la facilité de la description, cette structure va être décrite en faisant référence à une diode laser au germanium utilisant une contrainte de traction biaxiale dans le plan et, plus préférablement une transition optique de bande interdite directe. L'homme du métier comprendra que la structure actuelle pourrait être mise en oeuvre en tant que simple diode électroluminescente, plutôt qu'en tant que laser et que, avec une polarisation et une amplification correctes, la structure illustrée pourrait être utilisée en tant que détecteur tel qu'une photodiode. Comme indiqué plus haut, les jonctions appropriées comprennent des jonctions pn et des jonctions pin. La figure 12 commence comme illustré avec un substrat en germanium de type p 120, qui pourrait être, en variante, une couche de type p sur une couche isolante telle qu'une couche d'oxyde enfoui (BOX). De plus, la couche en germanium de type p illustrée pourrait être positionnée sur ou au-dessus d'un silicium comprenant des éléments de circuit en silicium ou des éléments optiques tels que des guides d'ondes à base de structures en silicium ou en oxyde de silicium. Ces diverses possibilités pour le substrat en germanium sont similaires pour les autres mises en oeuvre illustrées sur les figures 12 à 18 et ne sont pas ainsi répétées dans la description de ces illustrations. La mise en oeuvre de la figure 12 forme de préférence une structure similaire à celle illustrée sur la figure 4 avec la contrainte et les propriétés optiques décrites plus haut en relation avec la figure 4. Dans la mise en oeuvre de la figure 12, une couche 124 en germanium intrinsèque ou légèrement dopée de type n est déposée de manière épitaxiale sur le substrat en germanium de type p 120, le dopage de type n étant de préférence accompli in situ pendant le dépôt. Un masque, tel qu'un masque de nitrure de silicium, est formé sur une couche en germanium épitaxiale intrinsèque ou légèrement dopée de type n, des ouvertures dans le masque définissant un motif matriciel tel qu'un motif en damier au-dessus de la couche 124 en germanium épitaxiale intrinsèque ou légèrement dopée de type n. Les dimensions des régions peuvent varier tout en obtenant la contrainte de traction souhaitée et les régions pourraient, par exemple, avoir généralement une section de dessus carrée et pourraient être d'environ 0,04 à 1,0 micron de côté. La gravure à travers la couche en
32 germanium 124 et de préférence dans le substrat 120 de type p progresse pour former un ensemble correspondant d'ouvertures ou d'évidements dans la structure en germanium. Des régions 126 en silicium-germanium sont de préférence formées de manière épitaxiale par un dépôt chimique en phase vapeur sélectif dans les ouvertures dans la couche 120 en germanium de type p et la couche 124 en germanium intrinsèque ou légèrement dopée de type n telles que définies par les ouvertures dans le masque de nitrure de silicium. Dans cette illustration, les régions en silicium-germanium peuvent être non dopées ou intrinsèques. Si les régions en silicium-germanium 126 ne sont pas déposées de manière sélective ou si cela est préféré autrement, un polissage chimico-mécanique peut être effectué pour retirer le silicium-germanium en excès. Par la suite, le silicium-germanium exposé est de préférence oxydé en exposant les surfaces à un environnement oxydant pour former les structures d'oxyde de silicium-germanium isolantes 128. De préférence, la couche de masque en nitrure de silicium est ensuite retirée.
Comme décrit plus haut, la formation des régions en silicium-germanium adjacentes et autour des régions en germanium crée des régions en silicium-germanium contraintes par traction biaxialement, qui induisent, à leur tour, une contrainte de traction biaxiale dans le plan dans les régions en germanium 124. De préférence, la contrainte de traction biaxiale est suffisante pour amener ces parties des régions en germanium à présenter une bande interdite directe de sorte qu'elles puissent être pompées et produire efficacement une sortie optique. Ces régions 124 en germanium contraint biaxialement par traction peuvent ensuite être utilisées en tant que composants d'une région de gain de laser. Les régions 126 en silicium-germanium sont, par conséquent, également dans la région de gain de laser et ne contribuent pas à la génération d'une sortie optique. Des contacts sont formés sur les régions en germanium intrinsèques ou légèrement dopées de type n. Par exemple, une couche 122 de silicium-germanium amorphe ou polycristallin dopé de type n ou en germanium dopé de type n pourrait être prévue pour former un contact sur les régions 124 en germanium de type n. De manière similaire, une région 129 de silicium-germanium amorphe ou polycristallin dopé de type p peut être prévue pour former un contact sur le substrat ou la région 120 en germanium de type p de base, ou d'autres procédés tels que des bouchons métalliques peuvent être utilisés. Un traitement supplémentaire est de préférence appliqué pour réaliser des miroirs qui
33 définissent un résonateur ou une cavité laser englobant au moins une partie du germanium contraint de sorte que les régions en germanium contraint biaxialement par traction puissent réaliser une action de laser. La figure 13 illustre un processus différent pour fournir une structure généralement similaire à celle illustrée sur les figures 4 et 12. Les structures similaires sont indiquées sur la figure 13 par des numéros identiques à ceux utilisés sur la figure 12. Ici, le processus commence par un substrat ou une couche 120 en germanium de type p, qui est dessiné(e) et gravé(e) en formant un masque de nitrure de silicium avec une matrice d'ouvertures et en gravant ensuite à sec (au plasma) pour former des évidements. Des régions en silicium-germanium 126 sont développées, de préférence par un dépôt chimique en phase vapeur sélectif, pour former des régions contraintes par traction dans le plan avec les parties restantes du substrat 120 en germanium s'étendant entre les régions en silicium-germanium 126. Les parties du substrat 120 en germanium sous-jacentes aux régions en silicium- germanium sont contraintes par compression dans le plan. Les surfaces exposées des régions en silicium-germanium 126 sont oxydées et ensuite le masque de nitrure de silicium est retiré. Le silicium ou le silicium-germanium ou le germanium amorphe, polycristallin ou cristallin fortement dopé de type n est déposé et dessiné de manière appropriée pour former la structure en couches 139 illustrée sur la figure 13. La couche dopée 139 est en contact avec la surface de la couche 120 en germanium dans le motif matriciel défini entre les régions en silicium-germanium 126. Les couches en silicium-germanium oxydées 128 séparent les régions en silicium-germanium 126 de la couche dopée 139 de sorte que les dopants de la couche dopée 139 ne diffusent pas dans les régions en silicium-germanium 126. La structure est chauffée, par exemple par un recuit thermique rapide, pour diffuser les dopants de type n de la couche fortement dopée de type n 139 dans la surface du germanium 120 pour former des régions de type n peu profondes 134 en un motif matriciel, formant également des jonctions dans ce même motif matriciel. La structure résultante peut être incorporée dans une diode, un laser ou un détecteur, comme décrit ci-dessus. De plus, la structure résultante aura une répartition des contraintes et par conséquent sera capable de générer une émission large bande. Pour des applications laser, des miroirs peuvent être utilisés pour sélectionner la longueur d'onde souhaitée à partir de cette émission large bande, fournissant avantageusement une plage de gains et de
34 longueurs d'onde de sortie possibles. Pour les détecteurs ou les diodes, des filtres peuvent être formés adjacents aux régions d'émission ou de détection pour sélectionner des longueurs d'onde d'émission ou de détection. La figure 14 illustre une autre variante de la structure en germanium contraint par traction qui peut être utilisée pour émettre ou détecter des photons. La structure et les processus de la figure 14 sont similaires à ceux illustrés et décrits en relation avec la figure 12, et ainsi la description détaillée n'est pas répétée. Les structures qui sont sensiblement similaires entre les figures 12 et 14 sont identifiées par les mêmes numéros de référence. La structure de la figure 14 est formée sur un substrat 140 en germanium fortement dopé de type p. Une couche 142 en germanium épitaxial dopé de type p est déposée sur le substrat en germanium de type p plus fortement dopé. Un traitement subséquent suit, par exemple, comme décrit ci-dessus en relation avec la figure 12. La structure résultante de la figure 14 a des propriétés similaires à celles de la structure de la figure 12, mais avec un substrat de type p plus conducteur de sorte qu'il existe moins de résistance série et qu'un dispositif d'émission et de détection de photons est généralement plus efficace. La figure 15 montre une autre mise en oeuvre de la structure en germanium contraint par traction biaxialement dans le plan de la figure 4. Le substrat 150 est un germanium de type p qui est dessiné avec un nitrure de silicium ou un autre masque pour définir une matrice de positions de stresseurs. La gravure dans le substrat 150 en germanium de type p forme une matrice d'évidements dans lesquels du silicium- germanium est déposé de manière épitaxiale, de préférence en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur sélectif, formant du silicium-germanium 156 contraint par traction biaxialement. Les régions en silicium-germanium 156 sont oxydées pour former des régions d'oxyde de silicium-germanium 158. Des parties de surface 155 du substrat en germanium de type p sont en conséquence contraintes biaxialement par traction par la force appliquée à partir des régions en silicium-germanium 156 environnantes, de la manière examinée ci-dessus. Le retrait du masque de nitrure de silicium permet un transfert de contrainte plus complet. Dans le processus de la figure 15, un matériau émetteur d'électrons 159 est déposé et dessiné comme illustré. Un matériau émetteur d'électrons déposé peut être préféré pour fournir davantage de conductivité ou davantage de souplesse de conception. Un matériau émetteur approprié peut être l'un quelconque : du germanium amorphe ou polycristallin dopé in situ n+ ; du silicium amorphe ou polycristallin ou du silicium-germanium amorphe ou polycristallin dopé in situ n+ ; un métal à faible travail d'extraction ; ou un métal à faible travail d'extraction avec une couche diélectrique d'interface qui est suffisamment mince pour être électriquement conductrice entre le métal et le germanium. Dans la configuration de la figure 15, la recombinaison à rayonnement préférée pour un émetteur tel qu'un laser se produit essentiellement dans les parties 155 contraintes biaxialement par traction supérieures du substrat en germanium de type p.
La figure 16 montre une modification de la configuration de la figure 15, dans laquelle des régions d'oxyde ne sont pas formées dans les régions en silicium-germanium 156 et la couche émettrice d'électrons 169 est formée en contact direct avec les régions en silicium-germanium 156. Les autres aspects de la configuration de la figure 16 sont identiques à ceux examinés ci-dessus en relation avec la figure 15 et son processus. La figure 17 fournit une autre modification de la structure de la figure 16 dans laquelle les régions en silicium-germanium 176 sont dopées pendant le dépôt de sorte que les régions en silicium-germanium 176 soient de type n. Dans cette configuration, des électrons peuvent être injectés à partir de la couche émettrice d'électrons 169 au-dessus des régions 155 en germanium contraint par traction et latéralement à partir des régions en silicium-germanium 176 autour des régions 155. Les régions en silicium-germanium 176 de type n augmentent l'émission d'électrons dans les régions de recombinaison à rayonnement, en particulier dans les régions à plus forte contrainte des régions 155 en germanium contraint, et augmentent de ce fait l'efficacité du processus d'émission de photons. Pour des mises en oeuvre de détecteur, la structure illustrée sur la figure 17 fournit une zone de jonction supplémentaire pour collecter les paires électron-trou générées par photons, fournissant une structure de détecteur plus efficace. Les structures illustrées sur les figures 12 à 17 permettent une émission et une détection de photons en utilisant des structures similaires, simplifiant généralement davantage la construction d'émetteurs tels que des diodes ou des lasers ainsi que de détecteurs tels que des photodiodes sur le même substrat (tranche semi-conductrice) en utilisant au moins certaines étapes de processus communes.
Des modes de réalisation préférés des illustrations des figures 4 et 12 à 17 positionnent quatre régions de stresseurs intégrés en silicium-germanium autour d'une région en germanium contraint biaxialement dans le plan. Dans un ensemble comprenant un certain nombre de régions en germanium contraint biaxialement selon ces modes de réalisation, des régions en silicium-germanium intégrées peuvent être adjacentes à de multiples régions en germanium. Les régions en silicium-germanium contraint par traction sur au moins deux côtés, et de préférence quatre côtés, de la région en germanium induisent de préférence une contrainte biaxiale dans la région en germanium. Dans certaines mises en oeuvre, les régions en silicium-germanium ne sont pas sensiblement reliées aux régions en silicium-germanium adjacentes (voisine la plus proche). Les régions de stresseurs en silicium-germanium peuvent avoir une section latérale carrée, rectangulaire, arrondie ou circulaire. Dans des mises en oeuvre particulièrement préférées de ces modes de réalisation (stresseur non continu), la largeur (ou de manière équivalente, la longueur) de chaque dimension latérale de la région en germanium entre des régions de stresseurs en silicium-germanium intégrés opposées est inférieure à 400 nanomètres et de préférence inférieure à 100 nanomètres. De préférence, les régions en silicium-germanium contraint par traction ont une composition de silicium entre 20 % et 100 % de silicium et de préférence entre 40 % de silicium et 60 % de silicium. Les modes de réalisation préférés de la présente invention sont mis en oeuvre avec une région à sensiblement 100 % en germanium (qui, compte tenu des environnements de dépôt, peut comprendre du silicium en une quantité mesurable), mais on devrait comprendre que les régions en germanium pourraient être mises en oeuvre dans une mise en oeuvre future avec une certaine quantité de silicium ou de carbone et être compris dans l'enseignement de la présente invention. La figure 18 illustre un mode de réalisation préféré des structures et des processus illustrés sur les figures 12 à 17, dans lequel un ou plusieurs piliers en germanium discrets sont formés et intégrés dans une couche de stresseurs en silicium-germanium déposée par la suite. Généralement, la structure de la figure 18 est formée sur un substrat en germanium en réalisant un masque par un procédé de lithographie ou n'importe quel autre procédé de dessin pour définir les emplacements et l'étendue de piliers en germanium isolés. Le dessin et la gravure définissent l'étendue latérale des piliers en germanium. La profondeur de gravure définit la hauteur des piliers. Des piliers sont isolés dans le sens latéral, mais ne sont pas de préférence isolés du substrat en germanium sous-jacent de sorte que des piliers adjacents partagent une région ou un substrat en germanium commun. Les piliers pourraient, par exemple, avoir une hauteur au-dessus de la région ou du substrat en germanium restant entre environ 20 nanomètres et 400 nanomètres ou, plus préférablement, entre environ 40 nanomètres et 100 nanomètres. Les piliers en germanium peuvent avoir une section latérale carrée, rectangulaire, arrondie ou circulaire et avoir de préférence une dimension latérale supérieure à 20 nanomètres et inférieure à 200 nanomètres et, plus préférablement, avoir une dimension latérale entre 30 nanomètres et 100 nanomètres. De préférence, les piliers en germanium sont formés en un ensemble régulier tel qu'un motif de « damier » dans lequel les piliers sont espacés par des séparations X et Y uniformes. Après avoir formé l'ensemble de piliers en germanium, la fabrication de la structure de la figure 18 se poursuit par le dépôt d'une couche de silicium-germanium autour des piliers. Le silicium-germanium est déposé sur la surface du substrat en germanium de sorte que le silicium-germanium sera dans un état contraint par traction. De préférence, la couche en silicium-germanium contraint par traction a une composition de silicium entre 20 % et 100 % de silicium, de préférence entre environ 40 % de silicium et 60 % de silicium. Comme examiné ci-dessus en relation avec les figures 12 à 17, le processus de dépôt de silicium-germanium peut être effectué de manière sélective, ou peut être effectué et ensuite le silicium-germanium en excès peut être retiré, par exemple, par polissage chimico-mécanique. Comme cela est également décrit ci-dessus, la couche en silicium-germanium contraint par traction induit une contrainte de traction biaxiale latérale dans les piliers en germanium, de préférence dans une mesure pour amener la transition optique directe à être la bande interdite la plus basse des piliers en germanium contraint biaxialement. La fabrication et les stratégies structurelles plus spécifiques illustrées sur et décrites en relation avec les figures 12 à 17 peuvent être mises en oeuvre dans la géométrie et l'agencement de piliers en germanium illustrés sur la figure 18. Sur la figure 18, qui représente une partie de la région active d'un laser au germanium contraint selon un mode de réalisation de l'invention, de multiples régions de piliers 182 sont formées en un ensemble dessiné par une gravure dans la couche en germanium 180 et un remplissage des tranchées gravées avec un matériau contraint par traction tel que du silicium-germanium épitaxial, comme représenté par la région 184. Dans l'exemple particulier représenté ici, les tranchées entourant chaque pilier en germanium sont fusionnées délibérément de sorte que le matériau de remplissage des tranchées contraint par traction forme une région 184 continue.
Il est, bien entendu, également possible de combiner la couche de stresseurs sus-jacente (par exemple du nitrure de silicium contraint biaxialement par compression dans le plan) avec des stresseurs intégrés (par exemple du silicium-germanium contraint biaxialement par compression dans le plan) avec du germanium contraint biaxialement par traction. De préférence, la couche de stresseurs sus- jacente comporte des ouvertures dans lesquelles les stresseurs intégrés sont formés de sorte qu'ils recouvrent les régions en germanium à contraindre. Par ailleurs, de préférence, le stresseur sus-jacent est retiré après que le germanium contraint a été formé. L'invention propose la possibilité, dans une autre amélioration, de positionner intentionnellement des piliers ou des ailettes en germanium contraint à forte émission optiquement actifs (par exemple des régions 182 sur la figure 18) à des emplacements spécifiquement déterminés le long de l'axe optique principal de la cavité résonante du laser correspondant à un espacement égal à une demi-longueur d'onde du mode optique résonant de la cavité. C'est-à-dire qu'une ou plusieurs rangées d'éléments en germanium optiquement actifs peuvent être de préférence espacées à des intervalles d'une demi-longueur d'onde du mode optique souhaité de la cavité laser. Cela permet une optimisation de l'amplification de la lumière dans la cavité et une minimisation de la réabsorption (perte optique) en éliminant (évitant) des régions en germanium contraint à des emplacements qui ne contribuent pas à une amplification de la lumière et qui n'ajouteraient autrement que des pertes d'énergie électrique et optique. La fabrication de diodes électroluminescentes ou de lasers ou de photodétecteurs dans un corps semi-conducteur contraint par traction (par exemple du germanium) permet à un système photonique entier comprenant des émetteurs de lumière, des coupleurs optiques, des guides d'ondes et des photodétecteurs d'être combiné et intégré dans la même couche de semi-conducteur (par exemple du germanium). Lorsqu'une émission ou une détection de lumière est nécessaire, le semi-conducteur est différencié en contraignant par traction localement le semi- conducteur (par exemple du germanium), la contrainte amenant la bande interdite du semi-conducteur optique (par exemple du germanium) à être rétrécie et la bande interdite du semi-conducteur à devenir plus directe. Lorsqu'une émission ou une détection de lumière n'est pas nécessaire, le semi-conducteur n'est pas intentionnellement contraint par traction et la bande interdite reste large et indirecte. Des exemples de composants optiques dans lesquels une émission ou une détection de lumière n'est pas nécessaire comprennent des guides d'ondes et des coupleurs optiques, et de préférence les régions semi-conductrices (par exemple, en germanium) correspondant à ces composants de circuits ne sont pas intentionnellement contraintes. Dans un mode de réalisation préféré, le semi-conducteur est le germanium et le germanium est localement contraint biaxialement par traction aux emplacements, où un dispositif optoélectronique actif tel qu'un laser, une diode électroluminescente ou un photodétecteur, est fabriqué. Dans un mode de réalisation préféré, la contrainte de traction biaxiale est supérieure ou égale à environ 2 % dans une proportion suffisante de la région en germanium dans un dispositif optoélectronique actif pour réaliser la fonctionnalité de dispositif optoélectronique actif souhaitée, qu'il s'agisse d'une émission de photons, ou qu'il s'agisse d'une détection de photons. Les régions de dispositif optoélectronique actif sont de préférence différenciées des régions de dispositif optoélectronique passif essentiellement par le degré de contrainte de traction et ainsi moins par une différence de la composition élémentaire du matériau actif. Des circuits intégrés photoniques classiques utilisent uniquement ou essentiellement des changements de composition élémentaire pour différencier des dispositifs optoélectroniques actifs de dispositifs optoélectroniques passifs.
Dans un exemple d'un circuit intégré photonique à base de phosphure d'indium classique, le guide d'ondes passif est une couche de phosphure d'indium et les composants actifs comprennent une couche active comprenant des puits multiquantiques d'arséniure de gallium indium ou d'arséniure de gallium indium-phosphure d'indium. De la lumière est émise par l'arséniure de gallium indium qui est un matériau semi-conducteur à bande interdite directe optiquement actif en tant que résultat de sa composition chimique, et non en tant que résultat d'une contrainte dans le matériau. Ici, la lumière est émise par un matériau qui n'est pas le même matériau que le matériau de guide d'ondes. Généralement, le matériau émettant de la lumière est ajouté au matériau de guide d'ondes par croissance épitaxiale ou par un procédé de liaison partout où un laser est fabriqué. Des aspects préférés de la présente invention facilitent l'utilisation du même matériau en tant qu'émetteur ou détecteur et en tant que guide d'ondes en modifiant les propriétés optiques du matériau au moins en partie en imposant une contrainte. Généralement, l'assemblage de réseaux optiques consistant en des émetteurs de lumière, des modulateurs, des guides d'ondes et des détecteurs, ensemble, nécessite un alignement des composants en trois dimensions et selon des angles avec un degré très élevé de contrôle et de précision. Un facteur de qualité type lors de l'alignement de l'axe optique d'un guide d'ondes avec celui d'un détecteur est d'obtenir au moins 50 à 80 % de transmission, ce qui nécessite, pour des profils de faisceau gaussiens, un alignement meilleur qu'environ 10 % de la dimension en coupe transversale du guide d'ondes, qui est de l'ordre de 0,1 µm. Cela est généralement effectué avec de nombreux efforts, en utilisant des stratégies d'alignement actives ou passives. Par conséquent, des problèmes de production et de coût rendent les composants réseaux optiques beaucoup plus coûteux que les circuits intégrés à semi-conducteurs. De grands efforts sont actuellement mis en oeuvre pour trouver des solutions d'assemblage rentables et intégrées. Des aspects de la présente invention peuvent être utilisés pour limiter les problèmes d'assemblage et d'alignement. Un organigramme de processus type pour élaborer des aspects optiques d'un système mettant en oeuvre des aspects de la présente invention utilise les étapes déjà utilisées dans la fabrication de circuits intégrés. L'utilisation de technologies existantes offre la possibilité d'appliquer des procédés bien établis pour une amélioration de la productivité et une réduction des coûts à des systèmes d'interconnexion optique, de communication ou autre. La fabrication d'un système optique (photonique) intégré dans une couche semi-conductrice unique utilise des processus de fabrication initiale établis actuellement utilisés dans la fabrication microélectronique de pointe : nettoyages humides, épitaxie d'éléments du groupe IV (silicium, germanium ou leur alliage), dépôt de films diélectriques, dessin par lithographie et retrait de matériau par gravures humide et à sec appropriées, suivis de CMP, et diverses étapes pour doper et réaliser un contact électrique sur les composants électriques du système optique. Une liaison, une hétéro-épitaxie de semi-conducteurs composites II11V ou II/VI ou le
41 dépôt de matériaux non du groupe IV, qu'ils soient cristallins ou non cristallins, peuvent compléter des aspects des systèmes optiques décrits ici, mais ne sont pas essentiels pour la réalisation de systèmes photoniques intégrés. Un procédé préféré pour fabriquer un système photonique intégré sur une tranche semi-conductrice peut nécessiter peu d'alignements de composants optiques autres qu'un auto-alignement. Dans un mode de réalisation préféré, l'invention propose un système optique dans lequel, au moins dans certaines mises en oeuvre et en particulier dans des mises en oeuvre préférées, tous les composants incluant un émetteur, un guide d'ondes et un détecteur sont réalisés sensiblement à partir du même élément (par exemple du germanium), où le matériau est contraint localement et de manière sélective de manière à ce qu'il devienne optiquement actif avec une structure de bandes qui correspond à la structure de bandes d'un semi-conducteur à bande interdite directe, seulement lorsque cela est exigé par le concepteur de système, c'est-à-dire, dans le milieu à gain de lasers, dans des diodes électroluminescentes ou dans des photodétecteurs. De préférence, un guide d'ondes défini en partie latéralement par des matériaux à faible constante diélectrique, un émetteur tel qu'un laser ayant une région de gain comprenant une ou plusieurs régions en germanium contraint biaxialement et un détecteur tel qu'une photodiode comprenant une ou plusieurs régions en germanium contraint biaxialement, avec le guide d'ondes, des régions actives de l'émetteur et du détecteur auto-alignées l'une avec l'autre. Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 12 à 17, comme décrit précédemment, la couche d'émetteur au-dessus des régions en germanium contraint peut être en germanium ou en silicium ou en un alliage silicium-germanium amorphe ou polycristallin dopé. Dans ces modes de réalisation, il est avantageux de sélectionner une épaisseur et une géométrie en coupe pour la couche d'émetteur de sorte que le profil d'intensité de lumière (motif de champ de mode) soit contenu partiellement dans la couche en germanium et partiellement dans la couche d'émetteur avec pour objectif d'augmenter au maximum la superposition du profil d'intensité de lumière et le volume des régions de piliers ou d'ailettes en germanium contraint biaxialement optiquement actif. Les régions contraintes biaxialement en germanium peuvent être dans la partie supérieure de la structure de guide d'ondes en germanium. L'homme du métier peut concevoir la structure globale pour positionner le mode optique avec l'intensité optique maximum coïncidant avec les régions en germanium les plus fortement contraintes. Par ces moyens, l'amplification de lumière par une émission stimulée dans les régions en germanium contraint est optimisée. Ce mode de réalisation préféré est représenté sur la figure 19 sur laquelle le laser est formé dans un guide d'ondes nervuré 192 qui est gravé dans une couche en germanium 190. La nervure est recouverte sur les côtés adjacents par des régions de matériau diélectrique à faible indice, tel que l'oxyde de silicium, 194 et 196. Des régions de stresseurs par traction en silicium-germanium sont indiquées par la référence 197 et les colonnes en germanium entre les stresseurs en silicium-germanium sont contraintes biaxialement et optiquement actives, ce qui permet une recombinaison à rayonnement et une émission stimulée de lumière. La région d'émetteur 198 est formée sur la région d'émission laser de la nervure en germanium dans un motif qui recouvre, en option, les régions à faible indice 194 et 196. Dans le corps du laser, le profil d'intensité optique est de préférence centré dans les régions fortement contraintes biaxialement des piliers en germanium dans la nervure, comme indiqué par le trait en pointillés 199 qui représente le motif de champ de mode dans le laser au germanium. Dans une autre amélioration, la région d'émetteur 198 est chanfreinée ou a une épaisseur rétrécie le long de l'axe de la nervure en germanium dans la direction d'éloignement de la région d'émission laser de sorte que le profil d'intensité optique (motif de champ de mode) soit repositionné dans le corps du guide d'ondes nervuré en germanium. Dans ce cas, le matériau émetteur polycristallin ne recouvre pas le guide d'ondes en germanium, excepté là où un dispositif optiquement actif tel qu'un laser ou un photodétecteur est présent. On appréciera que la structure illustrée sur la figure 19 peut recevoir les autres structures d'émetteur illustrées sur les figures 4 et 12 à 17 dans la région générale indiquée par 199 sur la figure 19 et avec un fonctionnement et un avantage similaires. Par ailleurs, la structure illustrée généralement sur la figure 19 peut également être utilisée pour réaliser un détecteur. Des signaux optiques sont générés dans la région d'émetteur ou de laser 199 et se propagent à travers la structure de coin et dans le guide d'ondes nervuré 192. Ces signaux optiques peuvent être générés par un circuit de commande dans un circuit de processeur ou de mémoire en silicium en tant que partie d'une transaction de bus électrique vers optique de sorte que les signaux optiques transportent des données provenant d'un circuit de processeur ou de mémoire. Les signaux optiques se propagent à travers le guide d'ondes nervuré 192 vers un emplacement de détecteur proche ou à distance, où les signaux optiques peuvent être convertis en signaux électriques pour un traitement supplémentaire dans un processeur, un stockage en mémoire ou un autre processus souhaité. Un détecteur peut être couplé à un guide d'ondes nervuré par un coin tel que le coin 198 illustré sur la figure 19 et dans une région avec des ailettes ou des piliers en germanium contraint biaxialement par traction configurée en tant que détecteur, comme illustré sur les figures 4 et 12 à 17 et comme décrit ci-dessus. De préférence, les régions actives à la fois de l'émetteur et du détecteur sont auto-alignées avec le guide d'ondes nervuré et l'une avec l'autre.
Des éléments de circuit dans un processeur peuvent être couplés à des éléments de circuit dans une partie espacée ou à distance du processeur en prévoyant un plan optique tel qu'une couche en germanium. Des éléments de circuit de commande dans le processeur délivrent un ensemble de données en parallèle à un ensemble adapté d'émetteurs tels que des lasers. Des lasers pourraient avoir chacun la configuration telle qu'illustrée sur la figure 19 et produire des sorties optiques modulées par la sortie des éléments de circuit de commande qui est couplée dans un ensemble correspondant de guides d'ondes nervurés. Des signaux transmis en parallèle à travers l'ensemble correspondant de guides d'onde nervurés sont fournis à un ensemble correspondant de détecteurs comportant des ailettes ou des piliers en germanium contraint biaxialement par traction, comme décrit ci-dessus. Les sorties de l'ensemble de détecteurs sont fournies à des circuits de commande qui fournissent le signal récupéré à un bus électrique qui distribue les signaux dans le processeur. La figure 20 montre une autre configuration pour un laser incorporant l'une des structures de gain en germanium contraint examinées ci-dessus. Comme illustré, une structure 202 en germanium contraint telle que l'une quelconque de celles examinées ci-dessus qui a de préférence suffisamment de germanium contraint par traction présent à travers au moins une partie de la structure 202 est prévue en contact avec une structure optique 200. Par exemple, la structure optique 200 peut être un guide d'ondes ou une cavité optique pour un laser avec des miroirs 204, 206 formés sur des surfaces opposées de la structure optique 200. La structure optique pourrait, par exemple, être un guide d'ondes en silicium, un guide d'ondes en oxyde de silicium ou une autre structure appropriée pour une cavité laser. Les miroirs 204, 206 sur chaque extrémité de la structure optique, par exemple, pourraient être des réflecteurs de Bragg répartis, dont la structure et la fabrication sont bien connues. Dans la configuration illustrée, l'un de plusieurs modes de laser peut être couplé dans les parties en germanium contraint de la structure 202 pour être amplifié par le gain de la région. Le couplage entre les structures 200 et 202 peut être, par exemple, un couplage évanescent. De préférence, un gain suffisant est obtenu pour fournir un gain à la cavité laser par des modes couplant au milieu à gain adjacent. D'autres configurations pour la structure de laser peuvent être utilisées, comprenant celles qui ont des miroirs formés directement sur la structure en germanium contraint. Divers miroirs, comprenant des surfaces réfléchissantes ou partiellement réfléchissantes, peuvent être utilisés, comme cela est connu dans l'art antérieur. Une stratégie similaire peut être utilisée pour réaliser un couplage évanescent entre un guide d'ondes et une structure de photodiode comme illustré et décrit ci-dessus pour réaliser un détecteur efficace pour des signaux optiques guidés. La présente invention a été décrite en termes de certains modes de réalisation préférés. L'homme du métier appréciera que divers changements et modifications pourraient être apportés aux modes de réalisation préférés spécifiques décrits ici sans s'écarter de l'enseignement de la présente invention. En conséquence, la présente invention n'est pas destinée à être limitée aux modes de réalisation préférés spécifiques décrits ici, mais au lieu de cela la présente invention doit être définie par les revendications jointes.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif optique comprenant : des première et deuxième régions en germanium, la première région en germanium étant en contact avec un premier stresseur de sorte que la première région en germanium ait une contrainte de traction biaxiale dans au moins une première partie de la première région en germanium, la deuxième région en germanium étant en contact avec un deuxième stresseur de sorte que la deuxième région en germanium ait une contrainte de traction biaxiale dans au moins une deuxième partie de la deuxième région en germanium ; des éléments optiques définissant un trajet optique à travers les première et deuxième régions en germanium ; une jonction positionnée dans ou adjacente à la première partie de la première région en germanium, la jonction ayant un premier côté avec un premier type de porteurs majoritaires et un deuxième côté avec un deuxième type de porteurs majoritaires ; et des premier et deuxième contacts respectivement couplés au premier côté de la jonction et au deuxième côté de la jonction.
  2. 2. Dispositif optique selon la revendication 1, dans lequel la première région en germanium a une contrainte de traction biaxiale dans au moins une partie de la première région en germanium suffisante pour amener la première partie de la première région en germanium à avoir une bande interdite directe.
  3. 3. Dispositif optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les premier et deuxième stresseurs par traction sont en silicium-germanium.
  4. 4. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments optiques comprennent un premier miroir et un deuxième miroir qui définissent une cavité laser.
  5. 5. Dispositif optique selon la revendication 4, dans lequel le premier miroir et le deuxième miroir sont formés sur des faces d'extrémité de la cavité laser, et dans lequel la cavité laser est couplée optiquement aux première et deuxième régions en germanium par un couplage évanescent.
  6. 6. Dispositif optique selon la revendication 4, dans lequel la cavité laser est disposée au moins partiellement dans un guide d'ondes. 46
  7. 7. Dispositif optique selon la revendication 4, dans lequel la cavité laser est disposée au moins partiellement dans un guide d'ondes en silicium ou en oxyde de silicium.
  8. 8. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les régions de stresseurs comprennent un matériau contraint par compression.
  9. 9. Dispositif optique selon la revendication 8 dans lequel les régions de stresseurs comprennent du nitrure de silicium.
  10. 10. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les premier et deuxième stresseurs sont positionnés sur des côtés opposés de la 10 première région en germanium.
  11. 11. Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel des premier et deuxième stresseurs sont positionnés d'un côté d'une ailette en germanium et des troisième et quatrième stresseurs sont positionnés d'un côté opposé de l'ailette en germanium, et dans lequel l'ailette en germanium comprend la 15 première partie de la première région en germanium.
  12. 12. Dispositif optique selon la revendication 11, dans lequel l'ailette en germanium a une épaisseur comprise entre environ 40 nanomètres et 80 nanomètres, dans lequel l'ailette en germanium a une largeur inférieure à un micron, et dans lequel les stresseurs sont en nitrure de silicium. 20
  13. 13. Procédé de réalisation d'un dispositif optique, comprenant : la fourniture d'un substrat ayant une région en germanium ; la gravure d'ouvertures dans la région en germanium ; et la formation de régions de stresseurs dans les ouvertures pour former un motif de régions de stresseurs intégrés entourant une première partie de la région en 25 germanium, dans lequel la première partie de la région en germanium a une contrainte de traction biaxiale dans le plan.
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la région en germanium est une couche en germanium séparée d'une autre partie du substrat par une couche isolante. 30
  15. 15. Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14, dans lequel le procédé forme au moins quatre parties supplémentaires de la région en germanium présentant une contrainte de traction biaxiale.
  16. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel une contrainte de traction biaxiale dans la première partie en germanium et dans des parties en germanium supplémentaires est suffisante dans au moins des parties des parties en germanium pour réaliser une bande interdite directe.
  17. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, comprenant en outre la formation d'une cavité laser de sorte qu'une lumière amplifiée dans la cavité laser passe à travers la première partie de la région en germanium.
  18. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, dans lequel les régions de stresseurs sont en silicium-germanium.
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