FR3011122A1 - Composants de protection contre des surtensions dans un circuit optoelectronique sur soi - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un composant de protection contre les surtensions formé dans une couche (1) de silicium sur isolant, SOI, une portion de la couche de SOI constituant le coeur d'un guide d'onde optique, ce composant étant constitué d'une alternance de régions semiconductrices de différents types et/ou niveaux de dopage, l'une au moins de ces régions correspondant à une partie (11) au moins du coeur du guide d'onde.

Description

B12690 - 12-GR1-0985FR01 1 COMPOSANTS DE PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS DANS UN CIRCUIT OPTOÉLECTRONIQUE SUR SOI Domaine La présente demande concerne des composants de protection contre les surtensions pouvant survenir aux bornes d'un composant optoélectronique formé dans une couche de silicium sur isolant (SOI). Exposé de l'art antérieur De façon générale, pour protéger un composant contre des surtensions, par exemple lors de décharges électrostatiques susceptibles de survenir alors que le composant n'est pas connecté, on utilise un composant de protection connecté aux bornes du composant à protéger. Ce composant de protection peut être par exemple une diode à avalanche, un transistor bipolaire ou une diode de Shockley unidirectionnelle ou bidirectionnelle. Les figures 1A, 1B et 1C représentes une portion d'un circuit optoélectronique, les figures 1B et 1C étant des vues en coupe de la figure LA selon des plans BB et CC, respectivement. Une couche mince de silicium 1 faiblement dopée de type P (P-) repose sur une couche d'oxyde 2, couramment désigné par le sigle BOX ("Buried OXide" - oxyde enterré). La couche 1, couramment désignée par le sigle SOI ("Silicon On Insulator" - silicium sur isolant), comporte une portion entièrement entourée d'oxyde de B12690 - 12-GR1-0985FR01 2 silicium qui constitue le coeur 5 d'un guide d'onde. Le coeur 5 reposant sur la couche d'oxyde 2 est délimité latéralement par deux tranchées 6 remplies d'oxyde traversant la couche de silicium 1 et est recouvert d'une couche d'oxyde supérieure. 5 Dans l'exemple représenté, la couche d'oxyde supérieure comprend une partie centrale 7 encadrée par deux parties latérales 9 plus profondes que la partie centrale 7. La partie centrale 7, moins profonde, résulte par exemple d'une oxydation thermique et les parties latérales correspondent par exemple à des tranchées 10 remplies d'oxyde ne traversant pas la couche SOI 1. Dans la suite, une dimension d'un élément sera considérée comme étant sa largeur si cette dimension est parallèle à la largeur du guide d'onde. La longueur d'un élément sera définie de la même façon par rapport à la longueur du guide 15 d'onde. Les figures LA et 1C représentent une portion du guide d'onde dans laquelle une photodiode au germanium 10 est disposée sur une partie de la longueur du guide d'onde. La photodiode 10 est constituée d'un bloc de germanium réalisé par épitaxie au- 20 dessus d'une partie 11 du coeur 5. Dans le bloc de germanium sont formées, à gauche sur les figures, une région de cathode 12 fortement dopée de type N (Nt) et, à droite sur les figures, une région d'anode 14 fortement dopée de type P (P+). La cathode 12 et l'anode 14 sont séparées par une région 15 de germanium 25 intrinsèque ou de germanium faiblement dopé de type N ou P. La figure 2 est une courbe 20 illustrant une caractéristique courant-tension d'un exemple de photodiode 10. Cette courbe 20 caractérise la robustesse de la photodiode 10 vis-à-vis de décharges électrostatiques. Chaque point de la 30 courbe 20 indique le courant I (en ampères) qui traverse la photodiode 10 pour un échelon de tension V (en volts) d'une durée de 100 ns. Jusqu'à une amplitude de 11,5 V le courant I augmente lentement en fonction de l'amplitude V des échelons de tension. Dès que la tension V appliquée dépasse 11,5 V, le 35 courant I augmente très fortement : ce comportement correspond B12690 - 12-GR1-0985FR01 3 au claquage de la photodiode 10. On retrouve un comportement similaire avec des valeurs différentes quelle que soit la réalisation particulière de la photodiode 10. Il existe donc un besoin pour un dispositif de 5 protection contre les surtensions de la photodiode 10. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un composant de protection contre les surtensions formé dans une couche de silicium sur isolant, SOI, une portion de la couche de SOI 10 constituant le coeur d'un guide d'onde optique, ce composant étant constitué d'une alternance de régions semiconductrices de différents types et/ou niveaux de dopage, l'une au moins de ces régions correspondant à au moins une partie du coeur du guide d'onde. 15 Selon un mode de réalisation, le coeur est d'un premier type de conductivité, et une première région et une deuxième région du deuxième type de conductivité sont disposées de part et d'autre de ladite partie du coeur, la première région, la partie du coeur et la deuxième région étant formées 20 dans la couche de SOI et constituant ensemble un transistor bipolaire. Selon un mode de réalisation, le coeur est d'un premier type de conductivité, une première région et une troisième région respectivement du deuxième type de conductivité 25 et du premier type de conductivité sont disposées successivement d'un côté de ladite partie du coeur, et une deuxième région du deuxième type de conductivité est disposée de l'autre côté de la partie du coeur, la troisième région, la première région, la partie du coeur et la deuxième région étant formées dans la 30 couche de SOI et constituant ensemble une diode de Shockley unidirectionnelle. Selon un mode de réalisation, au-dessus de la première région, une région de prise de contact traverse une couche isolante supérieure et fait contact avec la première région.
B12690 - 12-GR1-0985FR01 4 Selon un mode de réalisation, le coeur est d'un premier type de conductivité, une première région et une troisième région respectivement du deuxième type de conductivité et du premier type de conductivité sont disposées successivement d'un côté de ladite partie du coeur, et une deuxième région et une quatrième région respectivement du deuxième type et du premier type de conductivité sont disposées successivement de l'autre côté de la partie du coeur, la troisième région, la première région, la partie du coeur, la deuxième région et la quatrième région étant formées dans la couche de SOI et constituant ensemble une diode de Shockley bidirectionnelle. Selon un mode de réalisation, au moins une zone est intercalée entre le coeur et la première région, ladite au moins une zone ayant un même type de conductivité que la première 15 région et un niveau de dopage différent. Selon un mode de réalisation, un contact est formé en partie dans le coeur du guide d'onde et permet de polariser la partie du coeur. Selon un mode de réalisation, une région de même type 20 de conductivité que le coeur et d'un niveau de dopage plus élevé fait contact entre la première région et une partie dudit contact formée dans le coeur. Un mode de réalisation prévoit un dispositif constitué d'un composant de protection tel que ci-dessus, dudit guide 25 d'onde optique et d'une photodiode en germanium, la photodiode étant disposée en contact et au-dessus de la partie du coeur et étant connectée au composant de protection. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 30 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure LA est une vue de dessus d'un dispositif optoélectronique constitué d'une portion d'un guide d'onde et 35 d'une photodiode ; B12690 - 12-GR1-0985FR01 les figures 1B et 1C sont des vues en coupe de la figure LA selon les plans BB et CC, respectivement ; la figure 2 est une courbe courant-tension caractéristique d'une photodiode à laquelle on applique une 5 surcharge ; la figure aA est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un composant de protection de type transistor bipolaire ; les figures 3B et 3C sont des vues en coupe de la 10 figure aA selon le plan BB et le plan CC, respectivement ; la figure 4A est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un composant de protection de type diode de Shockley unidirectionnelle ; les figures 4B et 4C sont des vues en coupe de la 15 figure 4A selon le plan BB et le plan CC, respectivement ; la figure SA est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un composant de protection de type diode de Shockley bidirectionnelle ; les figures 5B et 5C sont des vues en coupe de la 20 figure SA selon le plan BB et le plan CC, respectivement ; la figure 6A est une vue de dessus d'une variante du mode de réalisation d'un composant de protection de type transistor ; les figures 6B, 6C et 6D sont des vues en coupe de la 25 figure 6A selon les plans BB, CC et DD, respectivement ; la figure 7A est une vue de dessus d'une seconde variante du mode de réalisation d'un composant de protection de type transistor ; et les figures 7B, 7C et 7D sont des vues en coupe de la 30 figure 7A selon les plans BB, CC et DD, respectivement. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à 35 l'échelle.
B12690 - 12-GR1-0985FR01 6 Description détaillée Les figures aA, 3B et 3C sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe de la figure aA selon un plan BB et selon un plan CC. Ces figures représentent un mode de réalisation d'un composant de protection de type transistor bipolaire. Ce composant est intégré au guide d'onde revêtu de la photodiode de détection 10 en germanium des figures 1A, 1B et 1C. La vue en coupe de la figure 3B, tracée en dehors de la partie 11 du coeur 5 sur laquelle est formée la photodiode 10, est identique à celle de la figure 1B. On y trouve les mêmes éléments, à savoir un guide d'onde constitué d'un coeur 5 en silicium entouré d'oxyde de silicium. En figures aA et 3C, à gauche de la partie 11 du coeur 5 et en contact avec celle-ci, une région 22 dopée de type N est formée dans la couche 1 de SOI. Du côté droit de la partie 11 du coeur 5 et en contact avec celle-ci, une région 24 dopée de type N est formée dans la couche 1 de SOI. Des tranchées 6 suivent le contour de l'ensemble 20 constitué de la région 22, de la région 24 et du coeur 5. Au-dessus de la région 22, une région 26 de silicium fortement dopé de type N (N+) traverse la couche isolante supérieure 9 et fait contact avec la région 22. De la même façon, au-dessus de la région 24, une région 28 de silicium 25 fortement dopé de type N (Nt) traverse la couche isolante supérieure 9 et fait contact avec la région 24. La région 22, la partie 11 du coeur 5 et la région 24 constituent respectivement les régions de collecteur, de base et d'émetteur d'un transistor bipolaire. Des métallisations non 30 représentées permettent de relier la région 26 de contact de collecteur à la cathode 12 de la photodiode 10 et la région 28 de contact d'émetteur à l'anode 14 de la photodiode 10. Ce transistor, à base en l'air dans le mode de réalisation représenté, fonctionne en tant que protection entre son 35 collecteur et son émetteur.
B12690 - 12-GR1-0985FR01 7 Les figures 4A, 4B et 4C sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe de la figure 4A selon un plan BB et selon un plan CC. Ces figures représentent un mode de réalisation d'un composant de protection de type diode de Shockley unidirectionnelle (ou thyristor sans gâchette). Les vues des figures 4A, 4B et 4C illustrent de mêmes éléments que les vues des figures aA, 3B et 3C désignés par de mêmes références. Dans les figures 4A et 4C, une région 30 en silicium fortement dopé de type P (P+) traverse la couche d'oxyde supérieure 9 au-dessus de la région 22 et fait contact avec cette dernière. La région 30 est séparée de la région 26 par une portion de la couche isolante supérieure 9. La région 30, la région 22, la partie 11 du coeur 5 et la région 24 constituent respectivement les régions d'anode, de gâchette d'anode, de gâchette de cathode et de cathode d'une diode de Shockley unidirectionnelle dont l'anode 30 et la cathode 24 sont connectées aux bornes 12 et 14 de la photodiode 10 par des métallisations non représentées.
Subsidiairement, la région 26, c'est à dire la région 22, peut être reliée à la région d'anode de la diode de Shockley afin d'ajuster son seuil de déclenchement. Les figures SA, 5B et 5C sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe de la figure 5A selon un plan BB et selon un plan CC. Ces figures représentent un mode de réalisation d'un composant de protection de type diode de Shockley bidirectionnelle (ou deux thyristors sans gâchette connectés en antiparallèle). Les vues des figures 5A, 5B et 5C illustrent de mêmes 30 éléments que les vues des figures 4A, 4B et 4C désignés par de mêmes références. Dans les figures SA et 5C, une région 32 en silicium fortement dopé de type P (P+) traverse la couche d'oxyde supérieure 9 au-dessus de la région 24 et fait contact avec B12690 - 12-GR1-0985FR01 8 cette dernière. La région 32 est séparée de la région 28 par une portion de la couche isolante supérieure 9. La région 30, la région 22, la partie 11 du coeur 5 et la région 24 constituent respectivement les régions d'anode, de gâchette d'anode, de gâchette de cathode et de cathode d'un premier thyristor. La région 32, la région 24, la partie 11 du coeur 5 et la région 22 constituent respectivement les régions d'anode, de gâchette d'anode, de gâchette de cathode et de cathode d'un second thyristor. Des métallisations non repré- sentées permettent de relier, d'une part, l'anode 30 du premier thyristor à la cathode 12 de la photodiode 10, et d'autre part, l'anode 32 du second thyristor à l'anode 14 de la photodiode 10. La région 26 est connectée à la région 30 et la région 28 est connectée à la région 32. La connexion des deux thyristors en antiparallèle forme une diode de Shockley bidirectionnelle. Les figures aA, 6B, 6C et 6D sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe de la figure 6A. selon les plans BB, CC et DD. Ces figures illustrent une première variante du mode de réalisation d'un composant de protection de type transistor bipolaire décrit en relation avec les figures aA, 3B et 3C. Les vues en coupe des figures 6B et 6C sont identiques, respectivement, aux vues en coupe des figures 3B et 3C. On y trouve de mêmes éléments désignés par de mêmes 25 références. Dans les figures 6A. et 6D, une région 52 en silicium dopé de type P est formée dans une partie du coeur 5 voisine de la partie 11 et s'étend d'un côté de ce dernier, à droite sur les figures. La région 52 borde toute la largueur de la région 30 24. Une région 54 en silicium fortement dopé de type P (P+) traverse la couche isolante supérieure 9 et fait contact avec la région 52. Des tranchées 6 suivent le contour de l'ensemble constitué de la région 22, de la région 24, de la région 52 et 35 du coeur 5.
B12690 - 12-GR1-0985FR01 9 Dans cette variante, la région 52 et la région 54 constituent un contact vers le coeur 5 permettant d'appliquer un potentiel au coeur 5, plus particulièrement à la partie 11 du coeur 5.
On notera que ce contact pourra être réalisé dans une autre partie du guide d'onde ou ajouté aux modes de réalisation de la diode de Shockley unidirectionnelle ou bidirectionnelle déjà décrits précédemment. Les figures 7A, 7B, 7C et 7D sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe selon les plans BB, CC et DD. Ces figures illustrent une seconde variante du mode de réalisation d'un composant de protection de type transistor bipolaire décrit en relation avec les figures aA, 3B et 3C. La vue en coupe de la figure 7B est identique aux vues 15 en coupe des figures 1B, 3B, 4B, 5B et 6B et on y trouve de mêmes éléments désignés par de mêmes références. Dans les figures 7A et 7C, deux zones successives 56 et 58 sont disposées dans la région 22. La zone 56 est bordée d'un côté par la partie 11 du coeur 5 et de l'autre côté par la 20 zone 58. La zone 58 est bordée d'un côté par la région 56 et de l'autre côté par la région 22. Une partie de région 22 traverse les régions 56 et 58 sur une portion de leur longueur, en haut sur la figure 7A. Les zones 56 et 58 en silicium du même type de conductivité que la région 22 présentent des niveaux de dopages 25 différents de celui de la région 22. Dans les figures 7A et 7D, une région 52 en silicium dopé de type P est formée dans une partie du coeur 5 voisine de la partie 11 et s'étend du côté droit de ce dernier. La région 52 borde toute la largeur de la région 24. 30 Une région 54 en silicium fortement dopé de type P (P+) traverse la couche isolante supérieure 9 et fait contact avec la région 52. Une région 60 en silicium fortement dopé de type P (P+) s'étend entre la région 52 et la partie de la région 22 traversant les zones 56 et 58.
B12690 - 12-GR1-0985FR01 10 Des tranchées 6 suivent le contour de l'ensemble constitué de la région 22, de la région 24, de la région 52 et du coeur 5. Le choix du niveau de dopage de la zone 56 permet 5 d'ajuster la valeur de la tension de claquage de la jonction PN entre cette zone 56 et le coeur 5. La région 60 et la partie de région 22 forment une diode Zener sur une portion seulement de la jonction PN permettant de réduire la capacité de la jonction PN. Il est 10 possible d'étendre la région 52 dans la partie 11 du coeur 5 afin de déplacer la région 60 et la partie de région 22 traversant les zones 56 et 58 pour former la diode Zener sur une autre partie de la jonction PN entre la zone 56 et le coeur 5. En outre, les variantes décrites en relation avec les figures 15 7A, 7B, 7C et 7D pourront être adaptées aux modes de réalisation des composants de protection de type diode de Shockley unidirectionnelle ou bidirectionnelle décrits précédemment. En particulier pour la diode de Shockley bidirectionnelle, les améliorations susmentionnées de la jonction PN entre le coeur 5 20 et la région 22 pourront être appliquées à la jonction PN entre le coeur 5 et la région 24. On notera que dans la variante décrite en relation avec les figures 7A, 7B, 7C et 7D, entre les régions 22 et la partie 11 du coeur 5, au moins une zone de même type de 25 conductivité que la région 22 mais de niveau de dopage différent est prévue. Dans une filière technologique optoélectronique permettant la réalisation de guides d'onde optiques, de photodiodes de détection et de modulateurs de phase rapides dans 30 un circuit sur SOI, les dimensions des différentes couches seront : - de 200 à 400 nia, par exemple 300 nia, pour la couche de silicium 1, - de 500 nia à 800 nia, par exemple 700 nia, pour la couche d'oxyde 35 2, et B12690 - 12-GR1-0985FR01 11 - de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de la couche 1 de SOI pour la couche d'oxyde supérieure 9. Dans une filière technologique optoélectronique, on prévoit habituellement la formation de couches, zones ou régions de différents niveaux de dopage. On pourra utiliser ces zones, couches ou régions pour ajuster la tension de claquage des composants de protection. Les concentrations en dopage disponibles seront, par exemple : - pour les régions de type P : - de 1015 à 1016 at./cm3 pour la couche 1 de SOI faiblement dopée (P-), - de l'ordre de 1017 at./cm3, et - supérieures à 1020 at./cm3 pour des régions fortement dopées (P+). 15 - pour les régions de type N : - de l'ordre de 1017 at./cm3, - de l'ordre de 1018 at./cm3 pour la région 58, - de l'ordre de 1019 at./cm3 pour la région 56, et - supérieures à 1020 at./cm3 pour des régions fortement 20 dopées (Nt). Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que des modes de réalisation aient été décrits ci-dessus en relation avec une photodiode au 25 germanium, ils s'appliquent également à d'autres réalisations de photodiodes ou à d'autres composants optoélectroniques formés au voisinage d'un guide d'onde. De plus la topographie des divers éléments pourra être modifiée par l'homme de l'art. En particulier les thyristors et 30 les triacs pourront présenter diverses variantes topologiques. En outre, les types de conductivité indiqués à titre d'exemple en relation avec les modes de réalisation ci-dessus peuvent tous être inversés. Les niveaux de dopage et les différentes épaisseurs de couches indiqués à titre d'exemple

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Composant de protection contre les surtensions formé dans une couche (1) de silicium sur isolant, SOI, une portion de la couche de SOI constituant le coeur (5) d'un guide d'onde optique, ce composant étant constitué d'une alternance de régions semiconductrices de différents types et/ou niveaux de dopage, l'une au moins de ces régions correspondant à au moins une partie (11) du coeur (5) du guide d'onde.
  2. 2. Composant de protection selon la revendication 1, dans lequel : le coeur (5) est d'un premier type de conductivité, et une première région (22) et une deuxième région (24) du deuxième type de conductivité sont disposées de part et d'autre de ladite partie (11) du coeur (5), la première région (22), la partie (11) du coeur (5) 15 et la deuxième région (24) étant formées dans la couche (1) de SOI et constituant ensemble un transistor bipolaire.
  3. 3. Composant de protection selon la revendication 1, dans lequel : le coeur (5) est d'un premier type de conductivité, 20 une première région (22) et une troisième région (30) respectivement du deuxième type de conductivité et du premier type de conductivité sont disposées successivement d'un côté de ladite partie (11) du coeur (5), et une deuxième région (24) du deuxième type de 25 conductivité est disposée de l'autre côté de la partie (11) du coeur (5), la troisième région (30), la première région (22), la partie (11) du coeur (5) et la deuxième région (24) étant formées dans la couche (1) de SOI et constituant ensemble une 30 diode de Shockley unidirectionnelle.
  4. 4. Composant de protection selon la revendication 3, dans lequel, au-dessus de la première région (22), une région (26) de prise de contact traverse une couche isolante supérieure (9) et fait contact avec la première région (22).B12690 - 12-GR1-0985FR01 14
  5. 5. Composant de protection selon la revendication 1, dans lequel : le coeur (5) est d'un premier type de conductivité, une première région (22) et une troisième région (30) 5 respectivement du deuxième type de conductivité et du premier type de conductivité sont disposées successivement d'un côté de ladite partie (11) du coeur (5), et une deuxième région (24) et une quatrième région (32) respectivement du deuxième type et du premier type de 10 conductivité sont disposées successivement de l'autre côté de la partie (11) du coeur (5), la troisième région (30), la première région (22), la partie (11) du coeur (5), la deuxième région (24) et la quatrième région (32) étant formées dans la couche (1) de SOI et 15 constituant ensemble une diode de Shockley bidirectionnelle.
  6. 6. Composant selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel au moins une zone (56) est intercalée entre le coeur (5) et la première région (22), ladite au moins une zone (56) ayant un même type de conductivité que la première 20 région (22) et un niveau de dopage différent.
  7. 7. Composant de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un contact (54, 52) est formé en partie dans le coeur (5) du guide d'onde et permet de polariser la partie (11) du coeur (5). 25
  8. 8. Composant selon la revendication 7, dans lequel une région (60) de même type de conductivité que le coeur (5) et d'un niveau de dopage plus élevé fait contact entre la première région (22) et une partie dudit contact (54, 52) formée dans le coeur (5). 30
  9. 9. Dispositif constitué d'un composant de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dudit guide d'onde optique et d'une photodiode (10) en germanium, la photodiode (10) étant disposée en contact et au-dessus de la partie (11) du coeur (5) et étant connectée au composant de 35 protection.
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