FR3075989A1 - Dispositif optoelectronique a guide d'onde semi conducteur enterre ameliore et procede associe - Google Patents

Dispositif optoelectronique a guide d'onde semi conducteur enterre ameliore et procede associe Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optoélectronique (10) à guide d'onde comprenant un empilement de couches sur un premier substrat (Subi), l'empilement comprenant une couche active (AL) disposée entre au moins une couche de confinement inférieure (Confl) et une couche de confinement supérieure (ConfS), lesdites couches et ledit premier substrat (Subi) étant réalisés en matériaux III-V, une partie de l'empilement comprenant au moins la couche active (AL) et la couche de confinement supérieure présentant une forme de ruban (20) présentant des parois, une partie (30) du ruban (20), comprenant au moins partiellement la couche active (AL), étant enterrée dans une couche de silicium amorphe (aSiL) présentant un indice (nSi) supérieur ou égal à 2.8, une couche de passivation (PL) recouvrant les parois de la partie enterrée du ruban, le ruban (20) enterré constituant un guide actif (AW) configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active (AL) dudit ruban (20).

Description

Dispositif optoélectronique à guide d’onde semi conducteur enterré amélioré et procédé associé
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne le domaine des dispositifs optoélectroniques actifs à ruban enterré comprenant une zone active en semi conducteur lll-V. Ce type de composant, qui peut être un laser, un amplificateur, un modulateur ou un détecteur, est par exemple utilisé dans le domaine des télécommunications, plus particulièrement sur substrat InP.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les dispositifs optoélectroniques à guide semi conducteur enterré (« semiconductor buried waveguide ») sont massivement utilisés dans le domaine des télécommunications. Ils présentent facilement des modes circulaires (« circular mode » en anglais ), le mode pouvant présenter une dimension suffisamment grande pour pouvoir être couplé à une fibre optique via un convertisseur de mode (« spot converter » en anglais), ils sont robustes et présentent une bonne dissipation thermique.
Cependant leur fabrication nécessite un procédé à haute température (> 600 °C) dans de coûteux réacteurs de type MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy). Cette méthode d’épitaxie est capable de réaliser une diffusion de dopants dans un matériau mais n’est pas compatible d’un substrat InP collé sur un substrat Silicium. II existe trois principales méthodes pour réaliser des guides actifs enterrés dans un substrat InP, le dispositif final obtenu par chacune des ces méthodes étant illustré figures 1 à 3.
La figure 1 illustre la technologie dite BRS ( Buried Ridge Structure en anglais). A partir d’un empilement comprenant la couche active AL (qui peut être faite de plusieurs sous-couches), des couches supérieures 12 (confinement et injection), typiquement dopées p, des couches inférieures (confinement et injection) 11, typiquement dopées n, déposé sur un substrat Sub en InP, typiquement dopé n.
On commence par graver le ruban 13 comprenant la couche active entourée des couches supérieures et d’au moins certaines couches inférieures.
Puis une reprise d’épitaxie réalise une couche d’InP dopé p 14 dans un bâti de MOVPE (typiquement en utilisant le Zinc Zn comme dopant p) à une température supérieure à 600°C en utilisant des gaz toxiques et explosifs. Cette couche 14 permet d’éloigner le contact et les couches de contact (qui sont absorbantes) du guide optique. La couche 12 participe à ce rôle et conceptuellement peut être comprise dans 14, mais au niveau du procédé on a toujours une couche 12 dans la structure de base, avant la reprise d’épitaxie.
Comme la jonction active n’est pas définie latéralement, on réalise ensuite une étape d’implantation de protons (« proton implantation » en anglais) sur les côtés (en masquant la zone 14 et le ruban 13), afin de localiser l’injection de porteurs en neutralisant les dopants dans la zone 15. Cette étape technologique est également très lourde.
On réalise la couche de contact CL également par épitaxie en même temps que la couche 14, pour obtenir une faible résistance de contact avec une couche métallique ML (servant à connecter le composant au monde extérieur).
Sous fort courant il existe avec cette technologie un courant de fuite dans la jonction p-lnP / η-InP qui limite la puissance maximum des lasers et des amplificateurs. A cause de la haute température de l’étape d’épitaxie MOVPE et de la valeur élevée du coefficient de diffusion du Zinc, une diffusion non souhaitée des dopants peut avoir lieu pendant cette étape. Cela devient particulièrement critique quand une valeur précise du dopage est recherchée dans la structure. Un autre problème important est les pertes dans la couche p :lnP. Pour des profils de dopage classiques, ces pertes d’élèvent à 80-100 dB/cm. En conséquence, même avec un confinement modéré de la lumière dans les couches dopées P (par exemple 10%), 8 à 10 dB/cm de pertes vont être introduites par les couches faites lors de la reprise d’épitaxie.
Pour éviter le courant de fuite, la technologie PNBH (P-N Buried 5 Heterostructure en anglais) a été développée, illustrée figure 2. On utilise ici une alternance de couches P et N lors de la reprise d’épitaxie afin de limiter l’injection dans le ruban actif (sur les côtés on a une diode P-N polarisée en inverse qui bloque donc le courant).
Cette méthode supprime l’étape d’implantation de protons, qui est remplacée 3 par plusieurs étapes d’épitaxie, rendant cette méthode complexe. Et les pertes dues aux couches P-lnP/Zn:lnP subsistent. L’amélioration la plus récente est la technologie SIBH (Semi-lnsulating Buried Heterostructure en anglais) illustrée figure 3. Une fois le ruban gravé, on réalise une épitaxie sélective d’une couche semi-isolante 31 en gardant le 5 masque utilisé pour la gravure du ruban, puis optionnellement une deuxième épitaxie d’InP dopé p après retrait du masque de gravure. Ce procédé est complexe, réalisé à haute température (>600 °C) et requiert un contrôle très précis des couches que l’on fait croître. ) Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif optoélectronique actif à ruban enterré réalisé à partir d’un procédé n’utilisant pas d’étape de MOVPE à haute température ni d’implantation protonique. On diminue ainsi les coûts de fabrication, le dispositif obtenu présente moins de pertes et le procédé devient compatible 5 d’un collage sur un substrat Silicium.
DESCRIPTION DE L’INVENTION ) La présente invention a pour objet un dispositif optoélectronique à guide d’onde comprenant un empilement de couches sur un premier substrat, l’empilement comprenant une couche active disposée entre au moins une couche de confinement inférieure et une couche de confinement supérieure, lesdites couches et ledit premier substrat étant réalisés en matériaux lll-V, une partie de l’empilement comprenant au moins la couche active et la couche de confinement supérieure présentant une forme de ruban présentant des parois, une partie du ruban, comprenant au moins partiellement la couche active, étant enterrée dans une couche de silicium amorphe présentant un indice supérieur ou égal à 2.8, une couche de passivation recouvrant les parois de la partie enterrée du ruban, le ruban enterré constituant un guide actif configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active dudit ruban.
Selon un mode de réalisation le premier substrat est disposé sur un deuxième substrat en silicium via une couche d’interface.
Selon un mode de réalisation la couche de passivation s’étend également sur le premier substrat, entre celui-ci et la couche de silicium amorphe.
Selon un mode de réalisation le premier substrat est en InP et la couche active est réalisée à partir d’alliages ternaires ou quaternaires d’indium. Préférentiellement l’épaisseur de la couche de silicium amorphe est comprise entre 100 nm et la hauteur du ruban.
Préférentiellement la couche de passivation présente une épaisseur comprise entre quelques dixièmes de nm et quelques dizaines de nm.
Selon une première variante la couche de silicium amorphe, dans laquelle est enterrée au moins une partie du ruban, se prolonge au-delà d’au moins une extrémité du ruban, et de manière à constituer un cœur d’un guide passif, la couche active à ladite extrémité du ruban étant couplée audit cœur du guide passif.
Optionnellement le guide passif comprend en outre une première couche diélectrique présentant un indice inférieur à l’indice de la couche de silicium amorphe et configurée pour confiner l’onde lumineuse, issue de ou se dirigeant vers la zone active, dans la couche de silicium amorphe constituant ledit cœur.
Préférentiellement ladite extrémité du ruban présente une forme de pointe de manière à réaliser ledit couplage.
Selon une deuxième variante l’indice de la couche de silicium amorphe et la largeur du ruban sont déterminés de manière à sensiblement égaliser un coefficient de confinement de l’onde lumineuse respectivement d’un mode TE et d’un mode TM pour une longueur d’onde de fonctionnement. Préférentiellement la couche de silicium amorphe présente une épaisseur telle que l’enterrement du ruban dans ladite couche de silicium amorphe atteigne au moins 70% de ladite couche active, une partie supérieure du ruban étant en outre enterrée dans une deuxième couche diélectrique disposée au dessus de la couche de silicium amorphe.
Selon un mode de réalisation l’indice de la deuxième couche diélectrique est inférieur à l’indice de la couche de confinement supérieure.
Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé de réalisation d’un dispositif optoélectronique à partir d’un empilement de couches disposé sur un premier substrat de manière à réaliser un ruban, l’empilement comprenant au moins une couche active disposée entre au moins une couche de confinement inférieure et une couche de confinement supérieure, lesdites couches et ledit premier substrat étant réalisés en matériaux lll-V comprenant les étapes consistant à : -graver au moins une partie de l’empilement comprenant la couche de confinement supérieure et au moins partiellement la couche active de manière à former un ruban, -déposer une couche de passivation, la couche de passivation recouvrant les parois du ruban, -déposer une couche de silicium amorphe présentant un indice supérieur ou égal à 2.8, de sorte que le ruban soit enterré au moins jusqu’à la couche active dans ladite couche de silicium amorphe, -réaliser une gravure sélective de la couche de passivation et de la couche de silicium amorphe de manière à dégager une partie supérieure du ruban, -déposer une couche de contact sur la partie supérieure du ruban, le ruban enterré constituant un guide actif configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active du ruban.
Préférentiellement l’étape de dépôt de la couche de silicium amorphe s’effectue par une technologie basse température.
Selon une première variante le ruban est gravé de sorte qu’il présente au moins une extrémité en forme de pointe, la couche de silicium amorphe (aSiL), et préférentiellement la couche de passivation, étant également déposées dans une zone située dans le prolongement de ladite extrémité.
Le procédé comprend en outre, préférentiellement avant l’étape de gravure sélective : -une étape de gravure de ladite couche de silicium amorphe dans la dite zone, de manière à constituer un cœur d’un guide passif, ladite extrémité du ruban réalisant le couplage entre ladite couche active et ledit cœur, -une étape de dépôt d’une première couche diélectrique présentant un indice inférieur à l’indice de couche de silicium amorphe et configurée pour confiner l’onde lumineuse, issue de ou se dirigeant vers la couche active, dans la couche de silicium amorphe constituant ledit cœur, -l’étape de gravure sélective pour dégager la partie supérieure du ruban incluant la gravure sélective de la première couche diélectrique.
Selon une deuxième variante l’indice de la couche de silicium amorphe est déterminé, en combinaison avec la largeur du ruban, de manière à sensiblement égaliser un coefficient de confinement de l’onde lumineuse respectivement d’un mode TE et d’un mode TM, pour une longueur d’onde de fonctionnement.
Préférentiellement, lors de l’étape de dépôt de la couche de silicium amorphe, une épaisseur de ladite couche de silicium amorphe est déterminée de manière à enterrer le ruban au moins jusqu’à 70% de la hauteur de la couche active, ledit procédé comprenant en outre une étape de dépôt d’une deuxième couche diélectrique sur ladite couche de silicium amorphe, l’étape de gravure sélective incluant la gravure sélective de la deuxième couche diélectrique.
Selon un mode de réalisation l’étape de gravure du ruban consiste à graver l’empilement jusqu’au bas de la couche active. D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1, déjà citée, décrit la technologie de réalisation d’un guide actif enterré de type BRS selon l’état de l’art.
La figure 2, déjà citée décrit la technologie de réalisation d’un guide actif enterré de type PNBH selon l’état de l’art.
La figure 3, déjà citée décrit la technologie de réalisation d’un guide actif enterré de type SIBH selon l’état de l’art.
La figure 4 décrit un dispositif actif à guide d’onde enterré selon l’invention.
La figure 5a illustre la variation de l’indice de réfraction du silicium amorphe en fonction du ratio de gaz ChU/SihU utilisé lors du dépôt.
La figure 5b illustre la variation de l’indice de réfraction du silicium amorphe en fonction du ratio de gaz N2/SiH4 utilisé lors du dépôt.
La figure 6 illustre la variation de l’indice effectif d’un guide selon l’invention en fonction de la largeur du ruban, pour les modes TE et TM d’ordre 1 et pour le premier mode d’ordre2, pour un dispositif réalisé avec la technologie BRS et un dispositif selon l’invention.
La figure 7 décrit un mode de réalisation du dispositif selon l’invention pour lequel on colle le substrat initial Subi sur un substrat Sub2 en silicium.
La figure 8 illustre une première variante du dispositif selon l’invention, dans lequel le guide actif est couplé à un guide passif dont le cœur est réalisé avec la couche de silicium amorphe qui enterre le ruban.
La figure 9 illustre le dimensionnement d’un guide passif selon la première variante.
La figure 10 illustre l’évolution du coefficient de confinement Cte du mode TE et Cjm du mode TM en fonction de l’indice nsi de la couche aSiL, pour une largueurde ruban de 1.7 pm.
La figure 11 illustre l’évolution du coefficient de confinement Cte du mode TE et Ctm du mode TM en fonction de la largeur wr du ruban, pour un indice nsi de 3.42.
La figure 12 décrit un dispositif selon la deuxième variante de l’invention.
La figure 13 illustre un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique selon l’invention.
La figue 14 illustre les différentes étapes du procédé selon l’invention. L’empilement de départ est illustré figure 14a, la première étape figure 14b, la deuxième étape figure 14c la troisième étape figure 14d et la quatrième étape figure 14e.
La figure 15 illustre une première variante du procédé selon l’invention.
La figure 16 illustre différentes étapes de la deuxième variante du procédé.
La figure 16-1 illustre le ruban en forme de pointe, la figure 16-2 illustre le ruban recouvert de la couche de silicium amorphe, la figure 16-3 illustre la partie guide passif qui prolonge l’extrémité du ruban après le dépôt de la couche de silicium amorphe, et la figure 16-4 illustre la partie guide passif après le dépôt de la première couche diélectrique.
La figure 17 illustre une deuxième variante du procédé selon l’invention.
La figure 18 illustre le ruban enterré après l’étape de dépôt de la couche de silicium amorphe dont l’épaisseur atteint au moins 70% de la hauteur de la couche active.
La figure 19 montre le ruban enterré après le dépôt d’une deuxième couche diélectrique.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION L’invention concerne un dispositif optoélectronique 10 actif à guide d’onde, comprenant une couche active en matériau semi conducteur, souvent constituée de plusieurs sous couches, susceptible d’interagir avec des photons. II peut s’agir d’un laser, d’un amplificateur, d’un modulateur, d’un détecteur...Le dispositif est du type guide d’onde enterré, « buried waveguide» en anglais.
Le dispositif 10 selon l’invention est illustré figure 4 et comprend un empilement de couches sur un premier substrat Subi, l’empilement comprenant une couche active AL disposée entre au moins une couche de confinement inférieure Confl et une couche de confinement supérieure ConfS. La couche active AL , les couches de confinement Confl ConfS et le premier substrat Subi sont réalisés en matériaux lll-V.
Préférentiellement le premier substrat Subi est en InP et la couche active AL est réalisée à partir d’alliages ternaires ou quaternaires d’indium : par exemple InGaAsP ou InAIAs ou InGaAlAs.
Les couches de confinement sont également à base de ces alliages, avec une composition un peu différente pour avoir un « gap » de plus grande énergie. La couche AL est typiquement composée de plusieurs sous couches.
Par exemple pour un laser :
Couche active : 4 puits en InGaAsP de 6 nm (énergie de gap 0.8 eV) séparé par des barrières en InGaAsP de 8 nm (énergie de gap 1.05 eV).
Couches de confinement inférieur : 1 pm d’InP, 60 nm du même matériau que la barrière.
Couches confinement supérieur : 20 nm de même matériau que la barrière, 2 pm d’InP.
La ou les couches de confinement Inférieur Confl et Supérieur ConfS réalisent l’injection des porteurs dans la couche active et le confinement optique vertical de l’onde, selon y, dans la couche active. Ils sont à base de matériaux lll-V accordés en maille sur le substrat.
Pour réaliser la fonction guidante, une partie de l’empilement, comprenant au moins la couche active AL et la couche de confinement supérieure ConfS présente une forme de ruban 20.
La profondeur de gravure du ruban dans l’empilement dépend de l’application. Le ruban comprend au moins ConfS et la couche active AL. Il peut comprendre toute(s) la/les couche(s) Confl ou seulement une partie, ou alors s’arrêter à la couche active, la/les couche(s) Confl étant alors localisée(s) sous le ruban, entre celui-ci et le substrat.
Pour simplifier nous dénommerons, couche de confinement inférieur et couche de confinement supérieur au singulier la ou les couches réalisant cette fonction, et de même pour la couche active.
Préférentiellement le premier substrat Subi est en InP, et la couche active AL est réalisée à partir d’alliages ternaires ou quaternaires d’indium.
Le dispositif 10 est de type enterré, c'est-à-dire qu’une partie 30 du ruban 20 comprenant au moins partiellement la couche active AL est enterrée dans une couche, réalisant le confinement latéral du mode. La couche dans laquelle le ruban est partiellement enterré est du silicium amorphe aSiL présentant un indice nsi supérieur ou égal à 2.8. Pour avoir un guidage latéral, cet indice doit être inférieur à l’indice de la zone active (l’indice de la zone active est d’environ 3.5.) mais relativement proche pour avoir une faible différence d’indice latéral et ainsi bénéficier des avantages des guides enterrés InP classiques (mode à peu près circulaire, ruban relativement large,...). II convient d’interpréter silicium amorphe au sens large, en considérant tout matériau de forme a-SiCx avec 0<x<1, a-SiNy avec 0<y<1.33, a-SiOz avec 0<z<2, a-SiGew avec 0<w<1, ainsi qu’un silicium amorphe hydrogéné ou fluoré.
Préférentiellement, l’épaisseur tsi de la couche de silicium amorphe aSiL est comprise entre 100 nm et la hauteur totale du ruban.
Le dispositif 10 comprend également une couche de passivation PL recouvrant les parois de la partie enterrée du ruban.
En effet si la couche aSiL était directement en contact avec la couche active du ruban, à l’interface les défauts et les liaisons pendantes induiraient des fuites de courant. Cela se traduirait par exemple par un courant d’obscurité pour un photodétecteur ou un modulateur, ou une mauvaise injection des porteurs dans la zone active pour un laser. En outre la mauvaise qualité de l’interface provoquerait un vieillissement accéléré du dispositif.
La couche de passivation est typiquement en matériau diélectrique, tel que SiN ou S1O2 ou HfO2, ou en polymère, et son épaisseur est typiquement comprise entre quelques dixièmes de nm et quelques dizaines de nm.
Ainsi le ruban 20 enterré constitue un guide actif AW configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active AL du ruban.
Les avantages du dispositif selon l’invention sont multiples, liés à la couche d’enterrement en silicium amorphe.
Elle est réalisée avec un procédé basse température de type PECVD (pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition en anglais). Par exemple la couche de aSiL est réalisée à une température comprise entre 50°C et 450°C, préférentiellement entre 200 et 300 °C. La basse température empêche la diffusion de dopants, contrairement aux technologies de l’état de la technique.
La réalisation du guide enterré ne nécessite plus de MOVPE et d’implantation protonique. La technologie PECVD est moins onéreuse, diminuant d’autant le coût de production du guide, et utilise moins de gaz toxiques.
Les pertes du guide sont nettement réduites. Une perte de 0.04dB/cm a été calculée, à comparer à une perte supérieure à 80dB/cm typique d’une technologie BRS ou SIBH pour le matériau qui enterre. L’InP constitue la couche dans laquelle est enterré le ruban pour les technologies de guide enterré selon l’état de l’art, qui présente un indice compris entre 3.15 et 3.17 en fonction de la nature du dopant et de sa concentration.
Le silicium amorphe présente un indice de réfraction qui varie entre 2 et 3.7 en fonction des composés (impuretés) présents (tel l’hydrogène et l’azote) dans sa formule chimique. Le dosage de ces composés est obtenu en jouant sur les gaz utilisés lors de son dépôt, par exemple par PECVD, tel qu’illustré figure 5.
La figure 5a illustre la variation de l’indice du silicium amorphe obtenu nsi en fonction du ratio des gaz CH4 et SiH4, La figure 5b illustre la variation de l’indice du silicium amorphe obtenu nSi en fonction du ratio des gaz N2 et SiH4.
Cette plus grande variabilité de l’indice pour le silicium amorphe permet d’élargir la largeur wR du ruban 20, comme illustré figure 5.
La figure 5 décrit les couples (neff, wR) pour lesquels les modes d’ordre 1 (dénommés M1) TE et TM et le premier mode d’ordre 2 (dénommé M2) existent, les autres paramètres étant prédéterminés. neff est l’indice effectif du guide, fonction de l’indice de la couche active, de l’indice de la couche dans laquelle le ruban est enterré, de l’indice des couches de confinement, et de la géométrie du ruban.
On cherche de manière générale à n’avoir que le mode d’ordre 1 qui se propage dans le ruban, pour avoir un guide monomode.
Pour la technologie BRS, la simulation a été effectuée pour une couche active d’InGaAs d’indice 3.5 d’épaisseur 120 nm entre des couches de confinement verticales en InGaAsP d’épaisseur 200 nm, le ruban étant enterré dans une couche d’InP d’indice 3.17 (toutes les valeurs d’indice sont données pourÀ0=1.55 pm). Ici la différence d’indice entre la couche active et la couche dans laquelle le ruban est enterré, dénommée contraste d ‘indice, est figée.
On voit avec le point associé BRS-M2 de la figure 6 que le mode d’ordre 2 apparaît pour wR=1.1 pm.
Pour le guide selon l’invention, la simulation a été réalisée avec le même ruban que décrit ci dessus, une couche de passivation de 50 nm en SiN d’indice égal à 2, et une couche aSiL en silicium amorphe présentant un indice de 3.22 et de 3.25.
On voit avec le point associé aSi-M2 (3.22) de la figure 6 que le mode d’ordre 2 apparait pour wR=2pm pour nSi = 3.22. En d’autres termes le guide reste monomode jusqu’à cette valeur de largeur.
On voit avec le point associé aSi-M2 (3.25) de la figure 6 que le mode d’ordre 2 apparait pour wR=2.6pm pour nsi = 3.25.
La possibilité d’augmenter la largeur wR du ruban tout en maintenant une propagation du seul mode d’ordre 1 (guide monomode) permet : -d’augmenter la puissance de saturation du guide du fait de la densité de puissance réduite dans la couche active, -de mieux gérer la thermique et -une fabrication du ruban simplifiée.
En outre, la possibilité d’avoir un indice inférieur à l’indice de l’InP (3.17) permet la réalisation de guide avec un plus petit rayon de courbure, ce qui est intéressant pour des guides en matrice ou des guides en anneau.
Un avantage additionnel est qu’il est possible de coller (« bonding » en anglais) le substrat initial Subi sur un substrat Sub2 en silicium, tel qu’illustré figure 7. En effet à basse température les contraintes dues à la différence de coefficient d’expansion thermique sont moindres et n’engendrent donc pas de dislocations. Un substrat en silicium permet la production de substrats large avec une technologie CMOS.
Optionnellement on assemble les deux substrats Subi et Sub2 via une couche d’interface BL.
Du fait de la méthode de réalisation du guide selon l’invention (dépôts successifs de couches), préférentiellement la couche de passivation PL s’étend également sur le premier substrat Subi, entre celui-ci et la couche de silicium amorphe aSiL, comme illustré figures 4 et 7.
Selon une première variante illustrée figure 8 la couche de silicium amorphe aSiL dans laquelle est enterrée au moins une partie 40 du ruban 20 se prolonge au-delà d’au moins une extrémité 40 du ruban, et de manière à constituer un coeur aSi-Co d’un guide passif PW. La couche active AL à l’extrémité 40 du ruban est couplée optiquement au cœur du guide passif PW, afin qu’un mode de propagation d’une onde lumineuse puisse passer du guide actif (mode très confiné 80) au guide passif (mode plus large 81) et réciproquement.
Préférentiellement l’extrémité 40 du ruban présente une forme de pointe de manière à réaliser le couplage par adaptation de mode selon la technologie dite « taper » en anglais.
Selon une option, pour confiner l’onde lumineuse dans la couche de silicium amorphe constituant le cœur aSi-Co, le guide passif PW comprend en outre une première couche diélectrique DL1 présentant un indice n1 inférieur à l’indice nSi de la couche aSiL, afin d’obtenir un guide monomode.
Ainsi une onde lumineuse issue de, ou se dirigeant vers, la zone active, peut se propager dans le guide passif PW.
Par exemple pour réaliser un couplage optique de PW avec une fibre, l’indice n1 de la couche DL1 est choisi proche de nsi pour obtenir un guide passif à faible confinement avec un mode à surface étendue. A titre d’exemple illustré figure 9, avec nsi = 3.25 et n1=3.24 on peut « designer » un guide monomode PW avec un cœur de largeur wc= 3 pm et de hauteur hc=3.5pm, la couche DL1 présentant une épaisseur h1 de 5pm. Le mode correspondant présente une largeur en 1/e2 de 6.8 pm en horizontal et 4.6 pm en vertical. Optionnellement une couche diélectrique DC (indice 1.5) est déposée sur DL.
Pour obtenir un guide à faible perte de courbure (« bending loss » en anglais) et à fort confinement latéral, la valeur de n1 doit être plus faible.
Selon une autre option le confinement dans le guide passif est réalisé par l’air ou le vide.
De manière plus générale le guide passif est « désigné » selon le besoin. Pour un guide actif AW de type laser, une seule extrémité couplée à un guide passif est nécessaire.
Pour un amplificateur, les deux extrémités du ruban doivent être couplées à un guide passif, tel qu’illustré figure 8, de manière à ce qu’un mode initial issu d’un guide passif et incident sur le guide actif soit amplifié par celui-ci, puis à nouveau propagé dans un guide passif.
Préférentiellement la couche DL1 est également en silicium amorphe ou en polymère.
Selon une deuxième variante l’indice nSi de la couche de silicium amorphe aSiL et la largeur wR du ruban 20 sont déterminés de manière à sensiblement égaliser le coefficient Cte de confinement de l’onde lumineuse du mode TE et le coefficient Ctm de confinement de l’onde d’un mode TM. Cela signifie que le confinement dans la zone active du mode TE et du mode TM est équivalent. Ce résultat ne s’obtient pas sans une optimisation spécifique, le mode TE étant classiquement mieux confiné verticalement que le mode TM, tandis que le mode TM est classiquement mieux confiné latéralement que le mode TE.
Un confinement équivalent des deux modes TE et TM conduit à un guide actif dont le comportement est indépendant de la polarisation de l’onde qui se propage. Cette propriété est importante pour la réalisation d’amplificateur optique par exemple. L’égalisation des coefficients doit être vérifiée pour une longueur d’onde de fonctionnement AO correspondant à la longueur d’onde de l’onde lumineuse que l’on souhaite propager dans le guide. Une longueur d’onde AO utilisée est par exemple 1.55 pm ou 1.3 pm. L’égalisation du coefficient de confinement s’obtient en optimisant le couple (nsi, wr). La figure 10 illustre l’évolution du coefficient de confinement Cte du mode TE et du coefficient de confinement CTm du mode TM en fonction de l’indice nSi de aSiL, pour une larguer de ruban de 1.7 pm. la simulation a été réalisée avec le ruban décrit précédemment (AL : 120 nm InGaAs - Confl et ConfS 200 nm InGaAsP).
On constate que les deux coefficients s’égalisent pour un indice nsi = 3.42. La possibilité d’ajuster cet indice rend donc possible la réalisation d’un guide actif indépendant de la polarisation.
La figure 11 illustre l’évolution de la valeur du coefficient de confinement Cte du mode TE et Ctm du mode TM en fonction de la larguer wR du ruban, pour un indice nsi de 3.42. On constate que les deux coefficients s’égalisent pour une largeur wR= 1.7 pm.
Ainsi le couple (wR= 1.7 pm ; nSi = 3.42) satisfait la condition d’égalisation des coefficients de confinement à une valeur de 17.2%.
De manière générale l’indice de la couche aSiL latérale en contact avec la couche active AL doit être proche de l’indice effectif du mode.
Cependant avec un indice de 3.42, il n’est pas possible que la couche aSiL présente une épaisseur (hauteur) pour laquelle la couche de confinement supérieure ConfS est également enterrée.
La couche ConfS en InP dopé présente un indice 3.15-3.17, et pour obtenir un confinement du mode il convient que cette couche soit en contact latéralement avec une couche d’indice plus faible. L’aSiL présentant un indice de 3.42 risque de déconfiner le mode à ce niveau.
Il convient donc que la couche aSiL « enterre » une grande partie de la couche active AL (pas nécessairement l’intégralité) mais pas la couche de confinement supérieure. Ainsi préférentiellement la couche de silicium amorphe aSiL présente une épaisseur tsi telle que l’enterrement du ruban 20 dans cette couche atteigne au moins 70% de la couche active AL.
Pour le confinement latéral du mode au niveau de ConfS, la partie supérieure du ruban doit être enterrée dans une deuxième couche diélectrique DL2 disposée au dessus de la couche de silicium amorphe aSiL, tel qu’illustré figure 12.
La partie 30 du ruban enterrée dans la couche aSiL s’arrête à la couche active AL, la couche de confinement supérieure ConfS étant elle au moins partiellement enterrée dans la couche DL2.
Préférentiellement pour assurer le confinement du mode l’indice n2 de la deuxième couche diélectrique DL2 est significativement inférieur à l’indice de la couche de confinement supérieure. Lorsque celle-ci est en InP, il convient au minimum que n2<3.15. Typiquement les valeurs d’indice seront comprises entre 1.4 et 2.
Selon un mode de réalisation la gravure du ruban s’arrête au bas de la couche active, tel qu’illustré figure 12. La couche de confinement inférieure Confl ne fait alors pas partie du ruban 20 proprement dit mais est disposée en dessous.
Selon un autre aspect illustré figure 13 l’invention concerne un procédé 50 de réalisation d’un dispositif optoélectronique à partir d’un empilement de couches disposé sur un premier substrat Subi de manière à réaliser un ruban 20, l’empilement comprenant au moins une couche active AL disposée entre au moins une couche de confinement inférieure Confl et une couche de confinement supérieure ConfS, les couches et le premier substrat Subi étant réalisées en matériaux lll-V. L’empilement de départ est illustré figure 14a Le procédé comprend les étapes suivantes, illustrées figure 14.
Dans une première étape 100 illustrée figure 14b on grave au moins une partie de l’empilement comprenant la couche de confinement supérieure ConfS et au moins partiellement la couche active AL de manière à former un ruban 20. La largeur wR du ruban est typiquement comprise entre 1 et 4 pm.
Dans une deuxième étape 200 illustrée figure 14c une couche de passivation PL est déposée, typiquement par une méthode de PECVD (« Plasma Enhanced Chemical vapor déposition » en anglais), ICP-CVD ou ALD (Atomic Layer Déposition en anglais) qui sont des méthodes basse température. La couche de passivation PL recouvre les parois (verticales) du ruban. II s’agit d’une couche diélectrique typiquement en SiN, SiO2 ou HfO2, ou en polymère, et son épaisseur est typiquement comprise entre quelques dixièmes de nm et quelques dizaines de nm. Son rôle est de protéger l’interface de la couche active, notamment pour empêcher des fuites de courant.
Avec des composants uniquement à base de semi conducteur, tel que ceux obtenus avec les technologies enterrées de l’état de l’art, cette couche PL n’est pas nécessaire car il n’y a pas d’interface semiconducteur/diélectrique. Mais dans l’invention la couche aSiL qui réalise le confinement latéral n’est plus un semi conducteur mais une couche de silicium amorphe, ce qui rend la passivation des parois du ruban nécessaire.
Dans une troisième étape 300 également illustrée figure 14c on dépose la couche de silicium amorphe aSiL, son indice nsi étant supérieur ou égal à 2.8, l’épaisseur de la couche étant telle que le ruban 20 soit enterré au moins jusqu’à la couche active AL dans la couche aSiL.
La nature de la couche autorise un dépôt à basse température, entre 50°C et 450°C, préférentiellement entre 200 et 300 °C. Typiquement on utilise une technologie PECVD.
La résistivité du silicium amorphe dépend des conditions de dépôt, et des valeurs comprises entre 108 Ω/cm et 104 Ω/cm ont été obtenues. Théoriquement on souhaite un matériau isolant pour que tous les phénomènes optoélectroniques se passent dans la jonction semiconductrice.
Ensuite dans une étape 400 on réalise une gravure sélective de la couche de passivation PL et de la couche de silicium amorphe aSiL de manière à dégager une partie supérieure du ruban, tel qu’illustré figure 14d.
De manière classique cette ouverture permet de déposer dans une étape 500 une couche de contact CL sur la partie supérieure du ruban, tel qu’illustré figure 14e. Cette couche de contact est destinée à être en contact avec une couche métallique pour réaliser l’injection des porteurs. L’autre contact peut être en face avant ou de l’autre côté du substrat (pour un substrat dopé) ou uniquement face avant si le substrat est semi isolant.
Le ruban enterré constitue un guide actif AW configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active AL du ruban 20.
Selon une première variante du procédé selon l’invention illustré figure 15 et figure 16 le ruban est gravé de sorte qu’il présente au moins une extrémité 40 en forme de pointe, tel qu’illustré figure 16-1 (l’empilement de départ est identique à celui de la figure 14a).
En outre on s’arrange pour déposer la couche de silicium amorphe aSiL et préférentiellement la couche de passivation PL dans une zone située dans le prolongement de l’extrémité 40.
Une fois la couche aSi déposée (voir figure 16-2) le procédé comprend, préférentiellement avant l’étape de gravure sélective 400, une étape 350 de gravure de couche aSiL dans la zone au-delà de l’extrémité, de manière à constituer le cœur aSi-Co d’un guide passif PW, l’extrémité 40 du ruban réalisant le couplage entre la couche active AL du guide AW et le cœur aSi-Co du guide PW, tel qu’illustré figure 16-3.
Afin de constituer la gaine du guide passif, on dépose ensuite dans une étape 360 une première couche diélectrique DL1 (voir figure 16-4) présentant un indice n1 inférieur à l’indice de couche de silicium amorphe nsi et configurée pour confiner l’onde lumineuse, issue de ou se dirigeant vers la couche active AL, dans la couche de silicium amorphe aSiL constituant le cœur (voir dispositif figure 8). L’étape de gravure sélective 400 pour dégager la partie supérieure du ruban inclut la gravure sélective de la première couche diélectrique DL1.
Selon une deuxième variante du procédé selon l’invention illustré figure 17 l’indice nsi de la couche de silicium amorphe aSiL est déterminé, en combinaison avec la largeur wR du ruban 20, de manière à sensiblement égaliser le coefficient Cte de confinement de l’onde lumineuse du mode TE avec le coefficient de confinement Ctm du mode TM, pour une longueur d’onde de fonctionnement ÀO. Cette égalisation permet de réaliser un guide actif indépendant de la polarisation.
Préférentiellement lors de l’étape de dépôt 300 de la couche aSiL, son épaisseur tSi est déterminée de manière à enterrer le ruban 20 au moins jusqu’à 70% de la hauteur de la couche active AL, tel qu’illustré figure 18.
Le procédé selon la deuxième variante comprend également une étape 360 de dépôt d’une deuxième couche diélectrique DL2 sur la couche de silicium amorphe aSiL, tel qu’illustré figure 19, pour les raisons indiquées plus haut. L’étape 400 de gravure sélective inclut ici la gravure sélective de la deuxième couche diélectrique DL2, pour pouvoir prendre le contact sur la partie supérieure du ruban et obtenir le dispositif de la figure 12.
Préférentiellement l’étape de gravure du ruban consiste à graver l’empilement jusqu’au bas de la couche active, comme illustré figures 12, 18 et 19.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif optoélectronique (10) à guide d’onde comprenant un empilement de couches sur un premier substrat (Subi), l’empilement comprenant une couche active (AL) disposée entre au moins une couche de confinement inférieure (Confl) et une couche de confinement supérieure (ConfS), lesdites couches et ledit premier substrat (Subi) étant réalisés en matériaux lll-V, une partie de l’empilement comprenant au moins la couche active (AL) et la couche de confinement supérieure présentant une forme de ruban (20) présentant des parois, une partie (30) du ruban (20), comprenant au moins partiellement la couche active (AL), étant enterrée dans une couche de silicium amorphe (aSiL) présentant un indice (nsi) supérieur ou égal à 2.8, une couche de passivation (PL) recouvrant les parois de la partie enterrée du ruban, le ruban (20) enterré constituant un guide actif (AW) configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active (AL) dudit ruban (20).
  2. 2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1 dans lequel le premier substrat est disposé sur un deuxième substrat (Sub2) en silicium via une couche d’interface (BL).
  3. 3. Dispositif optoélectronique selon l’une des revendications précédentes dans lequel la couche de passivation (PL) s’étend également sur le premier substrat (Subi), entre celui-ci et la couche de silicium amorphe.
  4. 4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier substrat (Subi) est en InP et la couche active (AL) est réalisée à partir d’alliages ternaires ou quaternaires d’indium.
  5. 5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’épaisseur (tsi) de la couche de silicium amorphe (aSiL) est comprise entre 100 nm et la hauteur du ruban.
  6. 6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel la couche de passivation (PL) présente une épaisseur comprise entre quelques dixièmes de nm et quelques dizaines de nm.
  7. 7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel la couche de silicium amorphe (aSiL), dans laquelle est enterrée au moins une partie (30) du ruban (20), se prolonge au-delà d’au moins une extrémité (40) du ruban, et de manière à constituer un cœur (aSi-Co) d’un guide passif (PW), la couche active à ladite extrémité du ruban étant couplée audit cœur du guide passif (PW), ledit guide passif comprenant en outre une première couche diélectrique (DL1) présentant un indice (n1) inférieur à l’indice (nSi) de la couche de silicium amorphe (aSiL) et configurée pour confiner l’onde lumineuse, issue de ou se dirigeant vers la zone active, dans la couche de silicium amorphe constituant ledit cœur (aSi-Co).
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7 dans lequel ladite extrémité (40) du ruban présente une forme de pointe de manière à réaliser ledit couplage.
  9. 9. Dispositif selon l’une des revendicationsl à 6 dans lequel l’indice (nSi) de la couche de silicium amorphe (aSiL) et la largeur (wR) du ruban (20) sont déterminés de manière à sensiblement égaliser un coefficient de confinement de l’onde lumineuse respectivement d’un mode TE (Cte) et d’un mode TM (Ctm) pour une longueur d’onde de fonctionnement (AO).
  10. 10. Dispositif selon la revendication 9 dans lequel la couche de silicium amorphe (aSiL) présente une épaisseur (tsi) telle que l’enterrement du ruban (20) dans ladite couche de silicium amorphe atteigne au moins 70% de ladite couche active (AL), une partie supérieure du ruban étant en outre enterrée dans une deuxième couche diélectrique (DL2) disposée au dessus de la couche de silicium amorphe (aSiL).
  11. 11. Dispositif selon la revendication 10 dans lequel l’indice (n2) de la deuxième couche diélectrique (DL2) est inférieur à l’indice de la couche de confinement supérieure.
  12. 12. Procédé (50) de réalisation d’un dispositif optoélectronique (10) à partir d’un empilement de couches disposé sur un premier substrat (Subi) de manière à réaliser un ruban, l’empilement comprenant au moins une couche i active (AL) disposée entre au moins une couche de confinement inférieure (Confl) et une couche de confinement supérieure (ConfS), lesdites couches et ledit premier substrat (Subi) étant réalisées en matériaux lll-V comprenant les étapes consistant à : -graver (100) au moins une partie de l’empilement comprenant la couche de i confinement supérieure et au moins partiellement la couche active de manière à former un ruban (20), -déposer (200) une couche de passivation (PL), la couche de passivation recouvrant les parois du ruban, -déposer (300) une couche de silicium amorphe (aSiL) présentant un indice î supérieur ou égal à 2.8, de sorte que le ruban soit enterré au moins jusqu’à la couche active (AL) dans ladite couche de silicium amorphe (aSiL), -réaliser une gravure sélective (400) de la couche de passivation et de la couche de silicium amorphe (aSiL) de manière à dégager une partie supérieure du ruban, -déposer (500) une couche de contact (CL) sur la partie supérieure du ruban, le ruban enterré constituant un guide actif (AW) configuré pour propager une onde lumineuse dans la couche active du ruban.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel l’étape de dépôt (300) de la couche de silicium amorphe (aSiL) s’effectue par une technologie basse température.
  14. 14. Procédé selon l’une des revendications 12 ou 13 dans lequel le ruban est gravé de sorte qu’il présente au moins une extrémité (40) en forme de pointe, dans lequel la couche de silicium amorphe (aSiL), et préférentiellement la couche de passivation, sont également déposées dans une zone située dans le prolongement de ladite extrémité, le procédé comprenant en outre, préférentiellement avant l’étape de gravure sélective (400) : -une étape (350) de gravure de ladite couche de silicium amorphe (aSiL) dans la dite zone, de manière à constituer un coeur (aSi-Co) d’un guide passif (PW), ladite extrémité (40) du ruban réalisant le couplage entre ladite couche active et ledit cœur, -une étape (360) de dépôt d’une première couche diélectrique (DL1) présentant un indice (n1) inférieur à l’indice de couche de silicium amorphe (nsi) et configurée pour confiner l’onde lumineuse, issue de ou se dirigeant vers la couche active (AL), dans la couche de silicium amorphe (aSiL) constituant ledit cœur, -l’étape de gravure sélective (400) pour dégager la partie supérieure du ruban incluant la gravure sélective de la première couche diélectrique (DL1).
  15. 15. Procédé selon l’une des revendications 12 ou 13 dans lequel l’indice (nsi) de la couche de silicium amorphe (aSiL) est déterminé, en combinaison avec la largeur (wR) du ruban (20), de manière à sensiblement égaliser un coefficient de confinement de l’onde lumineuse respectivement d’un mode TE (Cte) et d’un mode TM (CTm), pour une longueur d’onde de fonctionnement (AO).
  16. 16. Procédé selon la revendication 15 dans lequel, lors de l’étape de dépôt (300) de la couche de silicium amorphe (aSiL), une épaisseur (tsi) de ladite couche de silicium amorphe est déterminée de manière à enterrer le ruban (20) au moins jusqu’à 70% de la hauteur de la couche active, ledit procédé comprenant en outre une étape (360) de dépôt d’une deuxième couche diélectrique (DL2) sur ladite couche de silicium amorphe, l’étape de gravure sélective incluant la gravure sélective de la deuxième couche diélectrique.
  17. 17. Procédé selon l’une des revendications 15 ou 16 dans lequel l’étape de gravure du ruban consiste à graver l’empilement jusqu’au bas de la couche active.
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DOMASHEVSKAYA E P ET AL: "Atomic and electronic structure of amorphous and nanocrystalline layers of semi-insulating silicon produced by chemical-vapor deposition at low pressures", JOURNAL OF SURFACE INVESTIGATION : X-RAY, SYNCHROTRON AND NEUTRON TECHNIQUES, NEW VORK : PLEIADES PUBL, US, vol. 9, no. 6, 6 December 2015 (2015-12-06), pages 1228 - 1236, XP035567566, ISSN: 1027-4510, [retrieved on 20151206], DOI: 10.1134/S1027451015060257 *

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